CZ34246U1

CZ34246U1 - Stirling engine

Info

Publication number: CZ34246U1
Application number: CZ2020-37708U
Authority: CZ
Inventors: Oto MUŠÁLEK
Original assignee: Oto MUŠÁLEK; Mučka, Jiří; Sirý, René
Priority date: 2020-06-23
Filing date: 2020-06-23
Publication date: 2020-07-28

Description

Stirlingův motorStirling engine

Oblast technikyField of technology

Technické řešení se týká nového konstrukčního řešení Stirlingova motoru typu alfa umožňující dosažení vyšší účinnosti, zejména pro využití v energetice.The technical solution concerns a new design solution of the Stirling engine of the alpha type enabling the achievement of higher efficiency, especially for use in the energy industry.

Dosavadní stav technikyPrior art

Klasický Stirlingův motor typu alfa je dvouválcový teplovzdušný motor. Jeho konstrukci popisuje například Wikipedie. Stirlingův motor je zde popsán jako spalovací motor s vnějším spalováním, pracující s cyklickým stlačováním a expanzí pracovního plynu. Tento motor má dva pracovní písty v oddělených válcích, každý se svým pístem. Jeden je teplý válec, nazývaný také jako expanzní válec, tento válec je připojen na vně válce situovaný ohřívač. Druhý je studený válec, nazývaný také jako kompresní válec, ten je připojen na vně válce situovaný chladič. Pomocí pístů dochází ke stlačování pracovního plynu při nízké teplotě a expanzi při vysoké teplotě. Pracovní plyn je přesunován z teplého válce do studeného, a naopak přes regenerátor, který je zapojen mezi válci. Propojení mezi válci je zajištěno pomocí propojovacího kanálu s obousměrným průchodem do pracovního prostoru válců. Regenerátor je tepelný výměník, který uschovává tepelnou energii v době mezi expanzí a kompresí pracovního plynu. Regenerátor může tvořit výplň umístěná v propojovacím kanálu mezi válci, nebo případně jev obousměrném propojovacím kanálu mezi válci zapojen individuální regenerátor vhodného typu. V teplém válci plyn expanduje při vysoké teplotě ohřívače. Ve studeném válci se plyn stlačuje při nízké teplotě chladiče. Písty jsou opatřeny pohybovým mechanizmem, kterým je obvykle kliková hřídel. Písty jsou vůči sobě v úhlu, běžně 90°. Jde o motor s uzavřeným oběhem, v němž probíhá transformace tepelné energie na mechanickou práci.The classic Stirling engine of the alpha type is a two-cylinder hot air engine. Its construction is described, for example, by Wikipedia. The Stirling engine is described herein as an internal combustion engine operating with cyclic compression and expansion of the working gas. This engine has two working pistons in separate cylinders, each with its own piston. One is a hot cylinder, also called an expansion cylinder, this cylinder is connected to a heater located outside the cylinder. The second is a cold cylinder, also called a compression cylinder, which is connected to a cooler located outside the cylinder. The pistons compress the working gas at low temperature and expand at high temperature. The working gas is transferred from the hot cylinder to the cold cylinder, and vice versa through the regenerator, which is connected between the cylinders. The connection between the rollers is ensured by means of a connecting channel with a two-way passage into the working space of the rollers. A regenerator is a heat exchanger that stores heat energy between the expansion and compression of the working gas. The regenerator can form a filling located in the connecting channel between the rollers, or possibly an individual regenerator of a suitable type is connected in the two-way connecting channel between the rollers. In a warm cylinder, the gas expands at a high heater temperature. In a cold cylinder, the gas is compressed at a low cooler temperature. The pistons are equipped with a movement mechanism, which is usually a crankshaft. The pistons are at an angle to each other, normally 90 °. It is a closed-loop motor in which the transformation of thermal energy into mechanical work takes place.

Příkladem jiného konstrukčního řešení Stirlingova motoru typu alfa je motor podle CZ 2002-2455. Zde jsou popsány dva písty, které jsou vůči sobě v ostrém úhlu, tyto písty jsou spojeny pomocí Hookova kloubu nastaveného v tupém úhlu, větším než 120° a menším než 180°. Válce pístů jsou zde propojeny jednoduchým spojovacím potrubím. Regenerátor a chladič jsou umístěny mimo spojovací potrubí, na kanálu tvořeném tzv. vyrovnávacím potrubím, majícím vstup a výstup do studeného válce. Vstupy a výstupy do/z propojovacího potrubí jsou uskutečněny obousměrnými průchody. Tepelný výměník tvoří jednak nahřívací komora, uspořádaná jako koncová část válce nad chlazeným, studeným pístem, a jednak spojovací potrubí.An example of another design solution of an alpha Stirling engine is the engine according to CZ 2002-2455. Here, two pistons are described which are at an acute angle to each other, these pistons being connected by means of a Hook joint set at an obtuse angle, greater than 120 ° and less than 180 °. The piston cylinders are connected here by a simple connecting pipe. The regenerator and cooler are located outside the connecting pipe, on a channel formed by the so-called balancing pipe, having an inlet and outlet to the cold cylinder. Inlets and outlets to / from the connecting pipe are made by bidirectional passages. The heat exchanger consists on the one hand of a heating chamber, arranged as the end part of the cylinder above the cooled, cold piston, and on the other hand of the connecting pipe.

U všech známých typů Stirlingova motoru mají písty podobu jednoduchého plného tělesa ve tvaru odpovídajícím tvaru pístnice, v níž je píst umístěn, přičemž píst má rovné čelo i dno. V terminologii daného oboru se zpravidla používá pro pístnici Stirlingova motoru název válec, přestože má někdy pístnice jiný tvar, například jako nádoba o průřezu oválu nebo pravidelného několikahranu. Tomu pak odpovídá i tvar pístu, jehož těleso je válec, hranol, osmistěn a podobně.In all known types of Stirling engine, the pistons are in the form of a simple solid body in a shape corresponding to the shape of the piston rod in which the piston is located, the piston having a straight face and a bottom. In the terminology of the art, the name cylinder is usually used for the piston rod of a Stirling engine, although sometimes the piston rod has a different shape, for example as a container with an oval cross-section or a regular polygon. The shape of the piston, whose body is a cylinder, a prism, an octagon and the like, also corresponds to this.

Stirlingův motor typu alfa je významný svou účinností. V současnosti zvyšuje jeho význam možnost použití alternativních a obnovitelných zdrojů energie. Problémem u těchto zařízení je mrtvý prostor pístů, který snižuje dosahovanou účinnost.The Alpha Stirling engine is notable for its efficiency. At present, the possibility of using alternative and renewable energy sources increases its importance. The problem with these devices is the dead space of the pistons, which reduces the efficiency achieved.

Nevýhodou v současné době známých Stirlingových motorů typu alfa je, že neumožňují dosahovat ideálního cyklu, co se týká účinnosti. Nad písty vzniká dočasně mrtvý prostor způsobující snížený kompresní poměr pístů. Jsou používány některé typy regenerátorů s relativně nízkou teplosměnnou plochou. Dráha pracovního plynuje poměrně dlouhá. Teplosměnné plochy, na kterých se provádí ohřev nebo chlazení pracovního plynu, jsou relativně malé. Další nevýhodou je, že zdroj tepla nemůže být vzdálen od motoru. Motor může být připojen pouze k jednomu zdroji tepla. NeníThe disadvantage of the currently known alpha Stirling engines is that they do not make it possible to achieve an ideal cycle in terms of efficiency. A temporary dead space is created above the pistons, causing a reduced compression ratio of the pistons. Some types of regenerators with a relatively low heat exchange area are used. The working gas path is relatively long. The heat exchange surfaces on which the working gas is heated or cooled are relatively small. Another disadvantage is that the heat source cannot be removed from the engine. The motor can only be connected to one heat source. It's not

- 1 CZ 34246 U1 možná regulace pomocí cyklického přivírání expanzního a kompresního prostoru, nebo jednosměrným prouděním pracovního plynu.- 1 CZ 34246 U1 possible regulation by means of cyclic closing of the expansion and compression space, or by unidirectional flow of the working gas.

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Výše uvedené nevýhody odstraňuje ve značné míře dále uvedené navržené řešení. Navržené nové technické řešení podstatně vylepšuje a upravuje konstrukčně Stirlingův motor typu alfa, z něhož využívá zahrnutí dvou pístů, které jsou pohyblivé každý v jednom válci, regenerátor, ohřívač jakožto zdroj tepelné energie vně válce a chladič jakožto odběrné místo tepelné energie vnč válce. Ohřívač i chladič se nacházejí vně válců a regenerátor se nachází v propojovacím kanálu, který propojuje pracovní prostor prvního válce s pracovním prostorem druhého válce, přičemž propojovací kanál je k pracovnímu prostoru válců připojen prostřednictvím obousměrných průchodů. Podstatou nového řešení je, že oba písty jsou opatřeny alespoň jedním vybráním, přičemž k ohřívači je připojen první tepelný výměník a k chladiči je připojen druhý tepelný výměník, kde tyto tepelné výměníky, resp. jejich teplosměnné plochy, se nachází v pracovním prostoru válců a svým tvarem a rozměry i umístěním odpovídají vybrání tak, že alespoň zčásti zapadají do vybrání pístů. První tepelný výměník zapadá do vybrání pístu v prvním válci a druhý tepelný výměník zapadá do vybrání pístu v druhém válci.The above-mentioned disadvantages are largely eliminated by the following proposed solution. The proposed new technical solution significantly improves and structurally modifies the alpha Stirling engine, which uses the inclusion of two pistons, each movable in one cylinder, a regenerator, a heater as a source of thermal energy outside the cylinder and a cooler as a source of thermal energy outside the cylinder. Both the heater and the cooler are located outside the cylinders and the regenerator is located in a connecting channel which connects the working space of the first cylinder with the working space of the second cylinder, the connecting channel being connected to the working space of the cylinders by bidirectional passages. The essence of the new solution is that both pistons are provided with at least one recess, while the first heat exchanger is connected to the heater and the second heat exchanger is connected to the cooler, where these heat exchangers, resp. their heat exchange surfaces are located in the working space of the cylinders and their shape and dimensions and location correspond to the recesses so that they at least partially fit into the recesses of the pistons. The first heat exchanger fits into the piston recess in the first cylinder and the second heat exchanger fits into the piston recess in the second cylinder.

S výhodou je z pracovního prostoru každého válce vyveden jednosměrný vývod do regenerátoru. Jednosměrné vývody jsou vyvedeny z pracovního prostoru válců, vždy na jiném místě než do pracovního prostoru ústí obousměrný průchod.Preferably, a one-way outlet is led from the working space of each cylinder to the regenerator. One-way outlets are led out of the working space of the cylinders, always in a different place than in the working space, a two-way passage opens.

Jednosměrný vývod je s výhodou opatřen jednosměrným uzávěrem v místě výstupu z válce.The one-way outlet is preferably provided with a one-way closure at the point of exit from the cylinder.

S výhodou tělo pístů zahrnuje tm, který uzavírá obousměrný průchod z válce tohoto pístu do propojovacího kanálu, a to při poloze pístu, při níž se píst nachází v horní úvrati. Obousměrný průchod jev tom případě situován nad trnem. Rozměry, tvar i poloha tmu j sou zvoleny tak, že při poloze pístu v horní úvrati tm na obousměrný průchod těsně dosedá a uzavírá obousměrný průchod.Preferably, the piston body comprises a tm which closes the two-way passage from the cylinder of this piston to the connecting channel, in the position of the piston at which the piston is at the top dead center. In this case, the two-way passage is situated above the mandrel. The dimensions, shape and position of the darkness j are chosen so that when the piston is in the upper dead center tm, it fits tightly on the two-way passage and closes the two-way passage.

S výhodou tm vybíhá ze dna vybrání.Preferably, tm extends from the bottom of the recess.

S výhodou jsou první i dmhý tepelný výměník opatřeny otvorem pro pohyb tmu a média. Prostřednictvím tohoto otvoru prochází tm při svém pohybu přes tepelný výměník, přičemž přes celý tepelný výměník probíhá alespoň při horní úvrati pístu.Preferably, both the first and the deep heat exchangers are provided with an opening for the movement of darkness and medium. Through this opening, the darkness passes through the heat exchanger during its movement, while it extends through the entire heat exchanger at least at the top dead center of the piston.

Tepelné výměníky svou horní částí s výhodou těsně dosedají na čelo válců, a to na jiném místě než kde do pracovního prostoru ústí obousměrný kanál. Tvary, rozměry a umístění prvků si navzájem odpovídají tak, že v poloze horní úvrati pístu jsou celé tepelné výměníky uloženy ve vybrání pístů a zapadají do něj pouze s mezerou nutnou pro pohyb média. Velikost mezery lze vypočítat a stanovit jako velikost potřebnou pro proudění pracovního plynu.The heat exchangers, with their upper part, preferably abut tightly on the front of the cylinders, in a different place than where the bidirectional channel opens into the working space. The shapes, dimensions and locations of the elements correspond to each other so that in the position of the top dead center of the piston, the entire heat exchangers are placed in the recess of the pistons and fit into it only with the gap necessary for the movement of the medium. The gap size can be calculated and determined as the size required for the working gas flow.

Jednosměrné vývody z válců jsou v tom případě situovány s výhodou nad pístem, na takovém místě, že jednosměrný vývod je při poloze horní úvrati pístem uzavřen.In this case, the one-way outlets from the cylinders are preferably situated above the piston, in such a place that the one-way outlet is closed by the piston at the top dead center position.

S výhodou jsou do válců zvoleny lamelové tepelné výměníky. V obou válcích se vtom případě nachází lamelový tepelný výměník s kapalinovým okruhem.Preferably, lamellar heat exchangers are selected for the cylinders. In both cases, there is a finned heat exchanger with a liquid circuit in both cylinders.

Písty jsou s výhodou v poloze, při níž mají rovnoběžné osy, a při této poloze jsou opatřeny vačkovým mechanizmem typu zdvih-pokles-prodleva.The pistons are preferably in a position in which they have parallel axes, and in this position they are provided with a cam mechanism of the stroke-drop-delay type.

Vačky vačkového mechanizmu typu zdvih-pokles-prodleva jsou s výhodou mechanicky spojeny pro otáčivý pohyb stejným směrem a se stejným počtem otáček. To umožňuje například volbaThe cams of the lift-drop-delay cam mechanism are preferably mechanically connected for rotational movement in the same direction and at the same number of revolutions. This is made possible, for example, by choice

-2CZ 34246 U1 mechanizmu s diskovými vačkami na hřídeli, nebo mechanizmu bubnových vaček mechanicky propojených prostřednictvím ozubeného soukolí.-2GB 34246 U1 mechanism with disc cams on the shaft, or a mechanism of drum cams mechanically connected by means of gears.

Navržené nové řešení Stirlingova motoru typu alfa má zvýšený výkon ve srovnání s dosavadním stavem a je využitelný zejména pro generátory na výrobu elektřiny. Umožňuje efektivně využít odpadní teplo výfukových plynů ze spalování Je také vhodný pro solární zdroje tepla. Při využití tepelné energie ze slunečního záření může být přeměněno až 40 % tepla na elektrickou energii. Navržený Stirlingův motor může být využit pro výrobu elektřiny v kogeneračních jednotkách, ve stavebních objektech, například pro obecní objekty, domácnosti nebo podnikatelské provozovny. Může umožnit i využití odpadního tepla z průmyslových procesů, jako jsou provozy pekárny, pražímy apod., které lze s pomocí tohoto motoru využít pro výrobu elektřiny. Hlavní výhodou tohoto motoru je vysoká účinnost motoru, vyšší než u dosavadního stavu. Je dosahován téměř ideální Stirlingův cyklus. Navržené řešení dosahuje snížení mrtvého prostoru ve válcích a zvýšení jejich kompresního poměru. Volbou regenerátoru tvořícího náplň v propojovacím potrubí je vytvořena velká teplosměnná plocha regeneračního prvku motoru. Je dosaženo minimální dráhy pracovního plynu při velké využitelné teplosměnné ploše tepelných výměníků. Zdroj tepla může být od motoru vzdálen. Další výhodou je, že navržený motor může být současně připojen k více zdrojům tepla. Navržený motor umožňuje cyklické přivírání expanzního a kompresního prostoru i jednosměrné proudění pracovního plynu.The proposed new solution of the Stirling alpha engine has an increased power compared to the current state and is usable especially for generators for electricity production. It allows efficient use of waste heat from exhaust gases from combustion. It is also suitable for solar heat sources. When using thermal energy from solar radiation, up to 40% of heat can be converted into electrical energy. The designed Stirling engine can be used to generate electricity in cogeneration units, in buildings, such as municipal buildings, households or businesses. It can also enable the use of waste heat from industrial processes, such as bakery operations, roasters, etc., which can be used to generate electricity with the help of this engine. The main advantage of this engine is the high efficiency of the engine, higher than the current state. An almost ideal Stirling cycle is achieved. The proposed solution achieves a reduction in dead space in the cylinders and an increase in their compression ratio. By selecting the regenerator forming the charge in the connecting pipe, a large heat exchange surface of the regenerating element of the engine is created. The minimum working gas path is achieved with a large usable heat exchange area of heat exchangers. The heat source may be remote from the engine. Another advantage is that the designed motor can be connected to multiple heat sources at the same time. The designed motor allows cyclic closing of the expansion and compression space as well as one-way flow of working gas.

Objasnění výkresůExplanation of drawings

Navržené řešení je objasněno pomocí výkresů, kde znázorňujíThe proposed solution is elucidated with the help of the drawings, where they show

Obr. 1 schéma příkladného navrženého Stirlingova motoru, při pohledu na svislý řez přes písty a propojovací kanál.Giant. 1 is a diagram of an exemplary designed Stirling engine, viewed in vertical section through pistons and interconnecting channel.

Obr. 2 pohled shora na příčný řez jedním válcem s pístem a tepelným výměníkem, v místě naznačeném jako A-A na obrázku Obr. 1Giant. 2 is a top cross-sectional view of one cylinder with a piston and a heat exchanger, at the location indicated as A-A in FIG. 1

Obr. 3A, B, C a Obr. 4D, E různé fáze práce navrženého motoru podle polohy a směru pohybu pístů, s naznačením směru pohybu médií a vačekGiant. 3A, B, C and FIG. 4D, E various phases of operation of the designed engine according to the position and direction of movement of the pistons, with an indication of the direction of movement of the media and cams

Obr. 5 detail tepelného výměníku, naznačeného na předchozích obrázcích z důvodu jednoduchosti pouze blokově, při prostorovém pohledu zepředu na svislý řez vedený přes střed tepelného výměníku.Giant. 5 shows a detail of the heat exchanger, indicated in the previous figures for the sake of simplicity only in blocks, in a front perspective view of a vertical section taken through the center of the heat exchanger.

Obr. 6 prostorový pohled šikmo zdola na celý tepelný výměník z obrázku Obr. 5Giant. 6 is a bottom perspective view of the entire heat exchanger of FIG. 5

Příklady uskutečnění technického řešeníExamples of technical solution

Příkladem nej lepšího provedení navrženého technického řešení je Stirlingův motor podle obrázků Obr. 1 až 6.An example of the best embodiment of the proposed technical solution is the Stirling engine according to Fig. 1 to 6.

Jde o Stirlingův motor základního typu alfa, který je konstrukčně upraven podle navrženého řešení. Obsahuje dva písty 1, 2, pohyblivé každý v jednom válci 3, 4, ohřívač 5 tvořící zdroj tepelné energie a chladič 6 jakožto odběrné místo tepelné energie. Válce 3, 4 mají pracovní prostor nad písty 1, 2, přičemž pracovní prostor prvního, expanzního válce 3 je propojen s pracovním prostorem druhého, kompresního válce 4 propojovacím kanálem 7. V propojovacím kanálu 7 je zabudován regenerátor 8, tvořený akumulačním materiálem schopným absorbovat a akumulovat v sobě teplo z proudícího média. Akumulační materiály jsou známé, mohou být použity například skleněné kuličky, nebo drť na bázi částic porézní keramické hmoty, nebo soustava plechových lamel. Jako pracovní médium je použit plyn. Ohřívač 5 i chladič 6 se nacházejí vně válců 3, 4.It is a Stirling engine of the basic alpha type, which is structurally modified according to the proposed solution. It comprises two pistons 1, 2, each movable in one cylinder 3, 4, a heater 5 forming a source of thermal energy and a cooler 6 as a point of consumption of thermal energy. The cylinders 3, 4 have a working space above the pistons 1, 2, the working space of the first expansion cylinder 3 being connected to the working space of the second compression cylinder 4 by a connecting channel 7. A regenerator 8 is built into the connecting channel 7, formed by an accumulating material capable of absorbing and accumulate heat in the flowing medium. Accumulation materials are known, for example glass beads, or crumb based on porous ceramic particles, or a system of sheet metal lamellae can be used. Gas is used as the working medium. The heater 5 and the cooler 6 are located outside the cylinders 3, 4.

-3 CZ 34246 U1-3 CZ 34246 U1

Propojovací kanál 7 je k pracovnímu prostoru válců 3, 4 připojen prostřednictvím obousměrných průchodů 9. K ohřívači 5 je připojen první tepelný výměník 10 a k chladiči 6 je připojen druhý tepelný výměník 11. Oba písty 1, 2 jsou opatřeny vybráním 12. První tepelný výměník 10 se nachází v pracovním prostoru prvního, expanzního válce 3, druhý tepelný výměník 11 se nachází v pracovním prostoru druhého, kompresního válce 4. V obou válcích je tepelný výměník 10, 11 uložen ve vybrání 12. V tomto příkladném provedení ideálního motoru je z důvodu srozumitelnosti a názornosti zvolen takový konkrétní tvar prvků, aby odpovídal zavedenému názvosloví v daném oboru. Proto zde válce 3, 4 mají skutečně válcový tvar, tedy mají podobu dutého tělesa o průřezu ve tvaru kružnice. Adekvátně tomu zde mají příkladné písty 1, 2 podobu plných těles, jejichž obvodová sténaje rovněž o tvaru kružnice. V praxi se pak ale jako válce 3, 4 podle navrženého řešení mohou použít, a tedy rozumět jako válce všechny tvary používané a nazývané jako válce motoru v daném oboru, tedy i tělesa o průřezu elipsovitém, nebo jako mnohostěny apod.The connecting channel 7 is connected to the working space of the cylinders 3, 4 by means of bidirectional passages 9. A first heat exchanger 10 is connected to the heater 5 and a second heat exchanger 11 is connected to the cooler 6. Both pistons 1, 2 are provided with recesses 12. First heat exchanger 10 is located in the working space of the first expansion cylinder 3, the second heat exchanger 11 is located in the working space of the second compression cylinder 4. In both cylinders, the heat exchanger 10, 11 is housed in a recess 12. In this exemplary embodiment the ideal engine is and for illustration, the specific shape of the elements chosen to correspond to the established nomenclature in the given field. Therefore, here the cylinders 3, 4 have a truly cylindrical shape, i.e. they have the form of a hollow body with a circular cross-section. Correspondingly, the exemplary pistons 1, 2 here have the form of solid bodies, the circumferential wall of which is also circular in shape. In practice, however, the cylinders 3, 4 according to the proposed solution can be used, and thus understood as cylinders all shapes used and called as engine cylinders in the field, ie bodies with an elliptical cross-section, or as polyhedra, etc.

Z pracovního prostoru každého válce 3, 4 je na jiném místě, než se nachází obousměrný průchod 9, vyveden jednosměrný vývod 13 do regenerátoru 8. Tyto jednosměrné vývody 13 jsou v místě výstupu z válců 3, 4 opatřeny jednosměrným uzávěrem 14. například jednoduchým uzavíracím ventilem.From the working space of each cylinder 3, 4, a one-way outlet 13 is led to a regenerator 8 at a place other than the bidirectional passage 9. These one-way outlets 13 are provided with a one-way closure 14 at the outlet of the cylinders 3, 4, for example a simple shut-off valve. .

Tělo pístů 1, 2 obsahuje tm 15. umožňující dočasně uzavírat obousměrný průchod 9 do propojovacího kanálu 7. Této možnosti je dosaženo tvarem a vzájemným vhodným umístěním tmu 15 a obousměrného průchodu 9. Obousměrný průchod 9 je situován nad trnem 15, a rozměry těchto prvků jsou zvoleny tak, že při horní úvrati pístu 1, 2 tm 15 na obousměrný průchod 9 příslušného pístu 1, 2 těsně dosedá a daný obousměrný průchod 9 je trnem 15 uzavřen.The piston body 1, 2 comprises a baffle 15 allowing to temporarily close the bi-directional passage 9 into the connecting channel 7. This possibility is achieved by the shape and suitable location of the baffle 15 and the bi-directional passage 9. The bi-directional passage 9 is situated above the mandrel 15. selected in such a way that at the top dead center of the piston 1, 2 tm 15 it fits tightly on the two-way passage 9 of the respective piston 1, 2 and the given two-way passage 9 is closed by the mandrel 15.

V předvedeném ideálním provedení mají písty 1, 2 obvodovou stěnu ve tvaru válcového pláště a tm 15 má tvar válce se zkosenou horní hranou. Vybrání 12 má obvodovou stěnu rovněž ve tvam válcového pláště a tm 15 vybíhá uprostřed ze dna 16 vybrání 12, takže vybrání 12 vytváří v těle pístů 1, 2 dutinu ve tvam mezikmží mezi trnem 15 a válcovou stěnou vybrání 12. Existenci tmu 15 ve vybrání 12 jsou uzpůsobeny svým tvarem a typem i oba tepelné výměníky 10. 11. Jsou použity lamelové tepelné výměníky 10, 11, s teplosměnnými plochami tvořenými množinou lamel, a oba tyto lamelové tepelné výměníky 10, 11 jsou opatřeny otvorem 17, tvořícím průchozí tunel pro pohyb tmu 15. Otvor 17 v každém z tepelných výměníků 10. 11. v tomto konkrétním příkladu středový, společně s vybráním 12 umožňuje účinnější protlačování pracovního média kolem teplosměnných ploch tepelných výměníků 10, 11 při pohybu pístů 1, 2. Do tohoto otvoru 17 se tm 15 zasunuje a vysunuje při pohybu pístů 1, 2.In the ideal embodiment shown, the pistons 1, 2 have a circumferential wall in the shape of a cylindrical shell and the tm 15 has the shape of a cylinder with a bevelled upper edge. The recess 12 also has a circumferential wall in the shape of a cylindrical shell and tm 15 extends midway from the bottom 16 of the recess 12, so that the recess 12 forms a cavity in the body of the pistons 1, 2 between the mandrel 15 and the cylindrical wall of the recess 12. Both heat exchangers 10 are adapted in shape and type. 11. Lamellar heat exchangers 10, 11 are used, with heat exchange surfaces formed by a plurality of fins, and both of these finned heat exchangers 10, 11 are provided with an opening 17 forming a through tunnel for dark movement. 15. The opening 17 in each of the heat exchangers 10. 11. in this particular example, the central one, together with the recess 12, allows a more efficient extrusion of the working medium around the heat exchange surfaces of the heat exchangers 10, 11 as the pistons 1, 2 move. retracts and extends as the pistons 1, 2 move.

Při pohybu pístu 1, 2 nahoru se tm 15 sune postupně odspodu nahoru a tlačí médium kolem příslušného tepelného výměníku 10, 11, nahoru do obousměrného průchodu 9 a jednosměrného vývodu 13. Při pohybu pístu 1, 2 směrem dolů médium proudí do válce 3,4 pouze přes obousměrný průchod 9, a ve válci 3, 4 proudí dolů kolem teplosměnných ploch příslušného tepelného výměníku 10, 11 a pod něj. Podle toho, o který válec 3, 4 jde, dochází k ohřevu a expanzi pracovního média, nebo k chlazení a zmenšování objemu pracovního média. Jako pracovní médium je vhodný zejména vodík, helium, dusík, nebo vzduchAs the piston 1, 2 moves upwards, the tm 15 slides gradually from bottom to top and pushes the medium around the respective heat exchanger 10, 11, upwards into the bidirectional passage 9 and the one-way outlet 13. As the piston 1, 2 moves downwards, the medium flows into the cylinder 3,4 only through the bidirectional passage 9, and in the cylinder 3, 4 it flows down around the heat exchange surfaces of the respective heat exchanger 10, 11 and below it. Depending on which cylinder 3, 4 it is, the working medium is heated and expanded, or the volume of the working medium is cooled and reduced. Hydrogen, helium, nitrogen or air are particularly suitable as the working medium

V poloze, kdy je píst 1, 2 v horní úvrati, prochází jeho tm 15 přes příslušný tepelný výměník 10. 11 v celém výškovém rozměm tepelného výměníku JO, 11. a přitom tm 15 uzavírá obousměrný průchod 9. Není podmínkou, aby byl tm 15 uprostřed vybrání 12 nebo válce 3, 4, nebo aby byl stejně vysoký jako okraj pístu 1, 2, závisí na volbě tvarů a umístění prvků motom, například může být vyšší, jak také znázorňují obrázky v tomto příkladném provedení.In the position when the piston 1, 2 is at the top dead center, its tm 15 passes through the respective heat exchanger 10. 11 in the entire height dimension of the heat exchanger JO, 11. and at the same time tm 15 closes the bidirectional passage 9. It is not a condition that tm 15 in the middle of the recess 12 or the cylinder 3, 4, or to be as high as the edge of the piston 1, 2, depends on the choice of shapes and location of the motom elements, for example it may be higher, as also shown in the figures in this exemplary embodiment.

Při optimální realizaci navrženého řešení, tak jak je předvedeno v příkladném provedení na obrázcích, jsou tepelné výměníky JO, JT v pracovním prostom válců 3, 4 umístěny tak, že svou horní částí těsně dosedají na čelo válců 3,4 a při poloze horní úvrati pístů 1, 2 tepelné výměníky 10, 11 celé zapadají do vybrání 12 v pístu 1, 2, s obvodovou mezerou 18 nutnou pro proudění pracovního média při pohybu pístů 1, 2. U předvedeného optimálního provedení se jednosměrnéIn the optimal implementation of the proposed solution, as shown in the exemplary embodiment in the figures, the heat exchangers JO, JT in the working space of the cylinders 3, 4 are positioned so that their upper part fits tightly on the cylinder face 3,4 and at the top dead center position of the pistons. 1, 2 the heat exchangers 10, 11 fit entirely into the recesses 12 in the piston 1, 2, with a circumferential gap 18 necessary for the flow of the working medium during the movement of the pistons 1, 2. In the optimal design shown, the unidirectional

-4CZ 34246 U1 vývody 13 z válců 3, 4 do regenerátoru 8 nacházejí nad pístem 1, 2 a písty 1, 2 mají takové rozměry a tvar, že při poloze horní úvrati příslušného pístu 1, 2 je jednosměrný vývod 13 u tohoto pístu 1, 2 uzavřen. Tedy při horní poloze prvního pístu 1 v expanzním válci 3 je uzavřen jednosměrný vývod 13 z expanzního válce 3, a při horní poloze druhého pístu 2 v kompresním válci 4 je uzavřen jednosměrný vývod 13 z kompresního válce 4. V předvedeném příkladu jsou čela válců 3, 4 i horní strany pístů 1, 2 rovné, což ale není podmínkou, mohou být například vypouklé, vyduté nebo jinak tvarované, avšak navzájem si tvarem odpovídající.The outlets 13 from the cylinders 3, 4 to the regenerator 8 are located above the piston 1, 2 and the pistons 1, 2 have such dimensions and shape that at the position of the top dead center of the respective piston 1, 2 there is a one-way outlet 13 at this piston 1, 2 closed. Thus, at the upper position of the first piston 1 in the expansion cylinder 3, the one-way outlet 13 from the expansion cylinder 3 is closed, and at the upper position of the second piston 2 in the compression cylinder 4, the unidirectional outlet 13 from the compression cylinder 4 is closed. 4 and the upper sides of the pistons 1, 2 are straight, but this is not a condition, for example they can be convex, concave or otherwise shaped, but correspond to one another in shape.

Pro motor je optimální zvolit do válců 3, 4 lamelové tepelné výměníky 10. 11 s kapalinovým okruhem, konstrukčně uzpůsobené tvaru a rozměrům vybrání 12 v pístech 1, 2 a tvaru i umístění trnů 15. jak ukazují obrázky Obr. 5 a Obr. 6.It is optimal for the engine to select in the cylinders 3, 4 lamellar heat exchangers 10. 11 with a fluid circuit, structurally adapted to the shape and dimensions of the recess 12 in the pistons 1, 2 and the shape and location of the mandrels 15, as shown in Figs. 5 and FIG. 6.

Je navrženo i zajištění optimálního pohybu pístů 1, 2. Písty 1, 2 podle navrženého technického řešení mají na rozdíl od klasického Stirlingova motoru typu alfa rovnoběžné osy. Za účelem dosažení žádoucího pohybu jsou s výhodou opatřeny vačkovým mechanizmem typu zdvih-poklesprodleva. Vačky 19, 20 vačkového mechanizmu jsou mechanicky spojeny pro otáčivý pohyb stejným směrem a se stejným počtem otáček, například spřažením na hřídeli, nebo jako v předvedeném příkladu, pomocí dvou hřídelí 21. 22 a řemene 23. Písty 1, 2 jsou připojeny k vačkovému mechanizmu například prostřednictvím kladek 24, 25.It is also designed to ensure optimal movement of pistons 1, 2. Pistons 1, 2 according to the proposed technical solution, in contrast to the classic Stirling engine of the alpha type, have parallel axes. In order to achieve the desired movement, they are preferably provided with a cam mechanism of the stroke-drop-delay type. The cams 19, 20 of the cam mechanism are mechanically connected for rotational movement in the same direction and at the same number of revolutions, for example by coupling on a shaft, or as in the example shown, by means of two shafts 21, 22 and a belt 23. Pistons 1, 2 are connected to the cam mechanism. for example by means of rollers 24, 25.

Cirkulace kapaliny v kapalinovém okruhu tepelných výměníků 10, 11 je zajištěna běžným způsobem, pomocí čerpadla 26.The circulation of the liquid in the liquid circuit of the heat exchangers 10, 11 is ensured in a conventional manner, by means of a pump 26.

Konkrétní příklad práce motoru je předveden na ukázce jednotlivých fází motoru na obrázcích Obr. 3 a Obr. 4 a je následující.A specific example of the operation of the motor is shown on the example of individual phases of the motor in the figures Fig. 3 and FIG. 4 and is as follows.

Obr. 3A ukazuje stav motoru při krajních polohách pístů 1, 2. První píst 1, horký, je nahoře, v poloze horní úvrati, druhý píst 2, studený, je dole. Vačkový mechanizmus, konkrétně vačka 20 na obrázku Obr. 3A vpravo, zajistí krátké setrvání pístů 1, 2 v této poloze. V poloze, kdy je první píst 1 v horní úvrati, prochází jeho tm 15 přes první tepelný výměník 10 v celém výškovém rozměru prvního tepelného výměníku 10 a uzavírá obousměrný průchod 9 z expanzního válce 3. Obousměrný průchod 9 z kompresního válce 4, situovaný nad druhým pístem 2, je otevřen. Jednosměrný vývod 13 z expanzního válce 3 do regenerátoru 8 uzavřel horní okraj prvního pístu 1. Jednosměrný uzávěr 14 uzavírá jednosměrný vývod 13 z kompresního válce 4. Proudění pracovního média ustane.Giant. 3A shows the state of the engine at the extreme positions of the pistons 1, 2. The first piston 1, hot, is at the top, in the top dead center position, the second piston 2, cold, is at the bottom. The cam mechanism, specifically the cam 20 in FIG. 3A on the right, ensures a short stay of the pistons 1, 2 in this position. In the position when the first piston 1 is at top dead center, its tm 15 passes through the first heat exchanger 10 in the entire height dimension of the first heat exchanger 10 and closes the bidirectional passage 9 from the expansion cylinder 3. Bidirectional passage 9 from the compression cylinder 4 situated above the second piston 2, is open. The one-way outlet 13 from the expansion cylinder 3 to the regenerator 8 closed the upper edge of the first piston 1. The one-way cap 14 closes the one-way outlet 13 from the compression cylinder 4. The flow of the working medium stops.

Na Obr. 3B první píst 1, horký, zůstává v horní úvrati a uzavírá propojovací kanál 7 na straně expanzního válce 3, zatímco druhý píst 2 se pohybuje nahoru. Při tomto pohybu druhý píst 2 stlačuje ochlazené pracovní médium obsažené v kompresním válci 4 a vytlačuje je dále přes obousměrný průchod 9 a jednosměrný vývod 13 do propojovacího kanálu 7 a zde do regenerátoru 8. Když druhý píst 2 vystoupá do horní úvrati, jeho tm 15 uzavře obousměrný průchod 9 z kompresního válce 4 a okraj dmhého pístu 2 uzavře jednosměrný vývod 13 z kompresního válce 3. Motor přejde do další fáze podle Obr. 3C.In FIG. 3B, the first piston 1, hot, remains at top dead center and closes the connecting channel 7 on the side of the expansion cylinder 3, while the second piston 2 moves upwards. During this movement, the second piston 2 compresses the cooled working medium contained in the compression cylinder 4 and pushes it further through the bidirectional passage 9 and the unidirectional outlet 13 into the connecting channel 7 and here into the regenerator 8. When the second piston 2 rises to the top dead center 15 the bidirectional passage 9 from the compression cylinder 4 and the edge of the long piston 2 closes the one-way outlet 13 from the compression cylinder 3. The engine proceeds to the next phase according to FIG. 3C.

V další fázi podle Obr. 3C se pohybuje první píst 1 dolů, z horní úvrati do dolní úvrati. Druhý píst 2 setrvává nahoře, v poloze horní úvrati, a přitom uzavírá propojovací kanál 7 na straně kompresního válce 4. Stlačené pracovní médium je tlakem komprese i nasáváním následkem pohybu prvního pístu 1 vytlačováno z propojovacího kanálu 7 a pouze přes obousměrný průchod 9 proudí do expanzního válce 3. Jednosměrný vývod 13 z expanzního válce 3 je pomocí jednosměrného uzávěm 14, například v podobě zpětné klapky, uzavřen. Pracovní médium v expanzním válci 3 proudí do otvom 17 v prvním tepelném výměníku 10 a kolem jeho teplosměnných ploch, tedy mezi jeho lamelami i přes mezeru 18. O teplosměnné plochy prvního tepelného výměníku 10 se pracovní médium ohřívá, expanduje, postupně vyplňuje pracovní prostor expanzního válce 3 a stlačuje první píst 1 dolů až do jeho mezní dolní polohy. Motor přejde do fáze znázorněné na obrázku Obr. 4D.In the next phase according to FIG. 3C, the first piston 1 moves downwards, from the top dead center to the bottom dead center. The second piston 2 remains at the top, in the top dead center position, and closes the connecting channel 7 on the side of the compression cylinder 4. The compressed working medium is forced out of the connecting channel 7 by the compression pressure and suction of the one-way outlet 13 from the expansion cylinder 3 is closed by means of a one-way closure 14, for example in the form of a non-return valve,. The working medium in the expansion cylinder 3 flows into the opening 17 in the first heat exchanger 10 and around its heat exchange surfaces, i.e. between its lamellae through the gap 18. The working medium is heated, expanded and gradually fills the working space of the expansion cylinder by the heat exchange surfaces of the first heat exchanger 10. 3 and pushes the first piston 1 down to its lower limit position. The motor enters the phase shown in FIG. 4D.

-5CZ 34246 U1-5CZ 34246 U1

Obrázek Obr. 4D ukazuje stav motoru při krajních polohách pístů 1, 2, kde první píst 1, horký, je dole, a druhý píst 2, studený, je v poloze horní úvrati. Vačkový mechanizmus, konkrétně vačka 19 na obrázku Obr. 4D vlevo, zajistí krátké setrvání pístů 1, 2 v této poloze. V poloze, kdy je druhý píst 2 v horní úvrati, prochází jeho tm 15 přes druhý tepelný výměník 11 v celém výškovém rozměru druhého tepelného výměníku 11 a uzavírá obousměrný průchod 9 z kompresního válce 4. Obousměrný průchod 9 z expanzního válce 3, situovaný nad prvním pístem je otevřen. Jednosměrný vývod 13 z kompresního válce 4 do regenerátoru 8 uzavřel horní okraj druhého pístu 2. Jednosměrný uzávěr 14 uzavírá jednosměrný vývod 13 z expanzního válce 4. Proudění pracovního média ustane.Figure FIG. 4D shows the state of the engine at the extreme positions of the pistons 1, 2, where the first piston 1, hot, is at the bottom, and the second piston 2, cold, is at the top dead center position. The cam mechanism, in particular the cam 19 in FIG. 4D on the left, ensures a short stay of the pistons 1, 2 in this position. In the position when the second piston 2 is at top dead center, its tm 15 passes through the second heat exchanger 11 in the entire height dimension of the second heat exchanger 11 and closes the bidirectional passage 9 from the compression cylinder 4. Bidirectional passage 9 from the expansion cylinder 3 situated above the first the piston is open. The one-way outlet 13 from the compression cylinder 4 to the regenerator 8 closed the upper edge of the second piston 2. The one-way closure 14 closes the one-way outlet 13 from the expansion cylinder 4. The flow of the working medium stops.

Následně se první píst 1 pohybuje nahoru, a současně se druhý píst 2 pohybuje dolů, jak znázorňuje obrázek Obr. 4E. V expanzním válci 3 se při pohybu prvního pístu 1 nahoru sune tm 15 postupně přes otvor 17 odspodu nahoru a tlačí pracovní médium nahoru. Prvním tepelným výměníkem 10 ohřáté médium proudí z expanzního válce 3 přes jednosměrný vývod 13 a obousměrný průchod 9 do propojovacího kanálu 7 a v něm do regenerátoru 8.Subsequently, the first piston 1 moves upwards, and at the same time the second piston 2 moves downwards, as shown in FIG. 4E. In the expansion cylinder 3, as the first piston 1 moves upwards, the tm 15 is gradually moved through the opening 17 from the bottom upwards and pushes the working medium upwards. The medium heated by the first heat exchanger 10 flows from the expansion cylinder 3 via a unidirectional outlet 13 and a bidirectional passage 9 into the connecting channel 7 and in it into the regenerator 8.

Následuje fáze podle obrázku Obr. 3A. Výše uvedené fáze 3A až 4E se v uvedeném pořadí opakují.The phase shown in FIG. 3A. The above steps 3A to 4E are repeated in that order.

V expanzním válci 3 se pracovní médium ohřívá prostřednictvím prvního tepelného výměníku 10 teplem přiváděným z vnějšího zdroje, zde označeného jako ohřívač 5, například v podobě spalovacího motom, pece nebo solárního tepelného zdroje. Teplo se akumuluje v regenerátoru 8, přes který pracovní médium proudí střídavě z jedné a dmhé strany. V kompresním válci 4 dochází k předávání tepla z teplonosného média dmhému tepelnému výměníku 11, a odtud je teplo odváděno k vnějšímu odběru prostřednictvím chladiče 6. K největšímu přívodu tepla pro vnější odběr dochází, když se druhý píst 2 pohybuje dolů.In the expansion cylinder 3, the working medium is heated by means of a first heat exchanger 10 with heat supplied from an external source, referred to herein as heater 5, for example in the form of an internal combustion engine, a furnace or a solar heat source. Heat accumulates in the regenerator 8, through which the working medium flows alternately from one side and the long side. In the compression cylinder 4, heat is transferred from the heat transfer medium to the second heat exchanger 11, and from there the heat is removed for external consumption via a cooler 6. The largest heat input for external consumption occurs when the second piston 2 moves downwards.

Claims

CLAIMS FOR PROTECTION

A Stirling engine comprising two pistons (1, 2) movable each in one cylinder (3, 4), a regenerator (8), a heater (5) as a source of thermal energy and a cooler (6) as a heat consumption point, wherein the heater ( 5) and the cooler (6) are located outside the cylinders (3, 4) and the regenerator (8) is located in the connecting channel (7), which connects the working space of the first cylinder (3) with the working space of the second cylinder (4). the channel (7) is connected to the working space of the cylinders (3, 4) by means of bidirectional passages (9), characterized in that the two pistons (1, 2) are each provided with at least one recess (12) and in the working space of each cylinder ( 3, 4) there is at least one heat exchanger (10, 11) housed at least in part in this recess (12) at at least some working position of the piston (1, 2), the heat exchanger (10) housed in the recess (12) of the first piston (1) is connected to the heater (5) and the heat exchanger (11) housed in the recess (12) of the second piston (2) is connected to the cooler (6).

Stirling engine according to Claim 1, characterized in that a one-way outlet (13) is led out of the working space of each cylinder (3, 4) into the regenerator (8) at a different location than the two-way passage (9).

Stirling engine according to Claim 2, characterized in that each one-way outlet (13) from the cylinder (3, 4) is provided with a one-way closure (14) at the point of exit from the cylinder (3, 4).

Stirling engine according to claims 2 and 3, characterized in that the piston body (1, 2) comprises a tm (15), the two-way passage (9) from the respective cylinder (3, 4) to the connecting channel (7) being located above this mandrel (15), and wherein in the position of the top dead center of the piston (1, 2) tm (15) fits tightly on the bidirectional passage (9) so that in said position of the piston (1, 2) the bidirectional passage (9) is a mandrel (15) closed.

Stirling engine according to Claim 4, characterized in that the tm (15) projects from the bottom (16) of the recess (12).

Stirling engine according to claim 5, characterized in that the heat exchangers (10, 11) of each cylinder (3, 4) are provided with an opening (17) for the movement of darkness (15) and at the position of the piston (1, 2) in the upper dead center tm (15) is located in this opening (17) and passes through the heat exchanger (10, 11) in the height direction.

Stirling engine according to Claim 6, characterized in that the heat exchangers (10, 11) abut tightly on the cylinder face (3, 4) with their upper part and engage in the recess of the piston (1) at the upper dead center position of the pistons (1, 2). , 2) all these heat exchangers (10, 11) and all around there is a circumferential gap (18) for the flow of the working medium, while the one-way outlets (13) to the regenerators (8) are located above the pistons (1, 2) and at the position At the top dead center of the piston (1, 2), the one-way outlet (13) of the piston (1, 2) is closed by said piston (1,2) in said position.

Stirling engine according to Claims 1 to 7, characterized in that a lamellar-type heat exchanger (10, 11) is located in both cylinders (3, 4).

Stirling engine according to claims 1 to 8, characterized in that the pistons (1, 2) have parallel axes and are provided with a cam mechanism of the stroke-drop-delay type.

Stirling engine according to claim 9, characterized in that the cams (19, 20) of the cam mechanism are mechanically connected for rotational movement in the same direction and at the same number of revolutions.