ES2238808T3 - THERMAL MACHINE - Google Patents
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Abstract
Máquina térmica, que funciona con un medio de trabajo en dos ciclos de trabajo, que comprende: u un primer pistón de trabajo (1), que se mueve en un primer cilindro de trabajo (2) y que mediante una primera varilla de empuje (3) está acoplado a un bloque de transmisión de fuerza lineal (4), que se puede desplazar en la dirección de movimiento del primer pistón de trabajo; u un primer pistón de carga (7), que se mueve en un primer cilindro de carga (8) y que mediante una segunda varilla de empuje (9) dispuesta paralelamente a la primera varilla de empuje (3) está acoplado al bloque de transmisión de fuerza lineal (4); u un segundo pistón de trabajo (11), que se mueve en un segundo cilindro de trabajo (12) en dirección de trabajo opuesta a la del primer pistón de trabajo (1) y que mediante una tercera varilla de empuje (13) está acoplado al bloque de transmisión de fuerza lineal (4); u un segundo pistón de carga (16), que se mueve en un segundo cilindro de carga (17) en dirección de trabajo opuesta a la del primer pistón de carga (7) y que mediante una cuarta varilla de empuje (18) dispuesta paralelamente a la tercera varilla de empuje (13) está acoplado al bloque de transmisión de fuerza lineal (4); u un recinto hueco de calefacción (20), en el cual se aporta calor al medio de trabajo; y u un recinto hueco de refrigeración (21), en el cual se extrae calor del medio de trabajo.Thermal machine, which works with a working medium in two work cycles, comprising: a first working piston (1), which moves in a first working cylinder (2) and using a first push rod ( 3) is coupled to a linear force transmission block (4), which can be moved in the direction of movement of the first working piston; or a first load piston (7), which moves in a first load cylinder (8) and which by means of a second push rod (9) arranged parallel to the first push rod (3) is coupled to the transmission block linear force (4); or a second work piston (11), which moves in a second work cylinder (12) in the opposite direction to that of the first work piston (1) and which is coupled by a third push rod (13) to the linear force transmission block (4); or a second loading piston (16), which moves in a second loading cylinder (17) in the opposite direction to that of the first loading piston (7) and which by means of a fourth push rod (18) arranged in parallel to the third push rod (13) is coupled to the linear force transmission block (4); or a hollow heating enclosure (20), in which heat is supplied to the working environment; and u a hollow cooling enclosure (21), in which heat is extracted from the working medium.
Description
Máquina térmica.Thermal machine.
La presente invención se refiere a una máquina térmica, que funciona con un medio de trabajo en dos ciclos de trabajo. La invención se refiere además a una unidad de motor para proporcionar energía mecánica.The present invention relates to a machine thermal, which works with a working medium in two cycles of job. The invention further relates to a motor unit for provide mechanical energy
Se entienden por máquinas térmicas, en el sentido más amplio, máquinas termodinámicas en las que, haciendo uso de las leyes termodinámicas, se transforma energía térmica en energía mecánica. Para ello, se aporta energía térmica a un medio de trabajo, lo que ocasiona la dilatación del volumen del medio de trabajo, la cual se puede aprovechar para la obtención de trabajo mecánico. En un ciclo de trabajo subsiguiente se extrae energía térmica del medio de trabajo, con lo que se produce una disminución de volumen. En las máquinas térmicas estos dos ciclos de trabajo se desarrollan en un proceso cerrado, por lo que la máquina puede proporcionar energía mecánica continuamente.They are understood by thermal machines, in the sense broader, thermodynamic machines in which, making use of thermodynamic laws, thermal energy is transformed into energy mechanics. For this, thermal energy is provided to a medium of work, which causes the dilation of the volume of the medium of work, which can be used to obtain work mechanical. In a subsequent work cycle energy is extracted thermal of the working environment, resulting in a decrease of volume. In thermal machines these two work cycles are develop in a closed process, so the machine can Provide mechanical energy continuously.
Máquinas termodinámicas conocidas, que se han desarrollado en múltiples variantes como motores, son las máquinas Stirling, en las cuales se utiliza el procedimiento de trabajo empleado por primera vez por Robert Stirling. Las máquinas Stirling están constituidas convencionalmente sin válvulas de control. Si se emplean válvulas de control para la regulación del proceso de trabajo, se habla con frecuencia de máquinas Ericsson. La presente invención se puede denominar en el más amplio sentido como máquina Ericsson, pero utiliza una estructura constructiva novedosa, que conduce a particulares ventajas.Known thermodynamic machines, which have been developed in multiple variants as engines, are the machines Stirling, in which the work procedure is used first employed by Robert Stirling. Stirling machines They are conventionally constituted without control valves. Whether employ control valves to regulate the process of work, we often talk about Ericsson machines. The present invention can be termed in the broadest sense as a machine Ericsson, but uses a new constructive structure, which It leads to particular advantages.
El principio térmico se realiza hasta ahora, en el alcance relevante en la práctica, principalmente en máquinas de refrigeración.The thermal principle is carried out so far, in the relevant scope in practice, mainly in machines of refrigeration.
Una visión general sobre los principios de
trabajo de las máquinas termodinámicas en general y de las máquinas
Stirling en particular, así como sobre las más diversas formas de
realización de tales máquinas, se puede deducir del libro
"Stirling-Maschinen" de Martin Werdich, Ökobuch Verlag
Staufen en Freiburg, 1994 (ISBN
3-922964-35-4). Las
formas de realización funcionales de máquinas Stirling mostradas en
él se han utilizado hasta ahora sólo en forma individualizada, por
ejemplo en el
marco de ensayos con modelos. Hasta la fecha,
un uso industrial en serie de tales máquinas para proporcionar
energía mecánica ha fracasado frente a las múltiples dificultades
constructivas para la puesta en práctica del principio conocido. Es
conocido desde hace largo tiempo, en efecto, que los principios de
trabajo utilizados en las máquinas térmicas para la transformación
de energía se pueden emplear con buenos rendimientos y que ofrecen
múltiples ventajas frente a los motores de combustión interna
ampliamente extendidos. Sin embargo, las dificultades técnicas de
realización han impedido hasta ahora una utilización exitosa de las
máquinas térmicas en el campo de la producción de energía mecánica.
Con frecuencia, la utilización de tales máquinas ha fracasado frente
a estructuras complicadas en cada caso particular, que se oponen a
un funcionamiento exento de averías durante largo tiempo.An overview of the working principles of thermodynamic machines in general and Stirling machines in particular, as well as the most diverse embodiments of such machines, can be deduced from the book "Stirling-Maschinen" by Martin Werdich, Ökobuch Verlag Staufen in Freiburg, 1994 (ISBN 3-922964-35-4). The functional embodiments of Stirling machines shown therein have so far been used only individually, for example in the
trial framework with models. To date, a serial industrial use of such machines to provide mechanical energy has failed in the face of multiple constructive difficulties for the implementation of the known principle. It has been known for a long time, in fact, that the working principles used in thermal machines for energy transformation can be used with good yields and that they offer multiple advantages over widely extended internal combustion engines. However, the technical difficulties of realization have so far prevented a successful use of thermal machines in the field of mechanical energy production. Frequently, the use of such machines has failed in the face of complicated structures in each particular case, which are opposed to fault-free operation for a long time.
Según el documento DE 35 34 070 es conocida una máquina termodinámica que trabaja según el principio Stirling, que presenta dos parejas de cilindros cada una de las cuales consta de un cilindro frío y un cilindro caliente. A cada pareja de cilindros está asociado un circuito cerrado separado para el medio de trabajo, por lo que son necesarios dos refrigeradores, dos regeneradores y dos calentadores. Esto condiciona una estructura cara y propensa a averías.According to document DE 35 34 070 a thermodynamic machine that works according to the Stirling principle, which It presents two pairs of cylinders each of which consists of a cold cylinder and a hot cylinder. To each pair of cylinders a separate closed circuit is associated for the working medium, so two refrigerators, two regenerators and two heaters This conditions an expensive structure and prone to breakdowns
Un problema de la presente invención consiste por tanto en hacer uso del principio conocido de las máquinas térmicas y proporcionar una realización técnica que evite o reduzca de manera importante los inconvenientes de las máquinas anteriores de este tipo. Se debe proporcionar una máquina térmica que, empleando los componentes mecánicos más sencillos, pueda proporcionar energía mecánica continuamente. Es además particularmente deseable configurar esta máquina de modo que se puedan proporcionar fuerzas lineales. Finalmente, es un objetivo de la presente invención proporcionar una unidad de motor con utilización de una máquina térmica correspondiente.A problem of the present invention consists in both in making use of the known principle of thermal machines and provide a technical embodiment that avoids or reduces in a way important the disadvantages of the previous machines of this kind. A thermal machine must be provided which, using the Simpler mechanical components, can provide power mechanically continuously. It is also particularly desirable. configure this machine so that forces can be provided linear Finally, it is an objective of the present invention provide a motor unit using a machine corresponding thermal.
Estos problemas se resuelven mediante la máquina térmica según la invención, que funciona con un medio de trabajo en dos ciclos de trabajo y que comprende un primer pistón de trabajo, que se mueve en un primer cilindro de trabajo y que mediante una primera varilla de empuje está acoplado a un bloque de transmisión de fuerza lineal, que se puede desplazar en la dirección de movimiento del primer pistón de trabajo; un primer pistón de carga, que se mueve en un primer cilindro de carga y que mediante una segunda varilla de empuje dispuesta paralelamente a la primera varilla de empuje está acoplado al bloque de transmisión de fuerza lineal; un segundo pistón de trabajo, que se mueve en un segundo cilindro de trabajo en dirección de trabajo opuesta a la del primer pistón de trabajo y que mediante una tercera varilla de empuje está acoplado al bloque de transmisión de fuerza lineal; un segundo pistón de carga, que se mueve en un segundo cilindro de carga en dirección de trabajo opuesta a la del primer pistón de carga y que mediante una cuarta varilla de empuje dispuesta paralelamente a la tercera varilla de empuje está acoplado al bloque de transmisión de fuerza lineal; un recinto hueco de calefacción, en el cual se aporta calor al medio de trabajo; y un recinto hueco de refrigeración, en el cual se extrae calor del medio de trabajo; de modo que durante el primer ciclo de trabajo el medio de trabajo calentado fluye desde el recinto hueco de calefacción a través de una primera válvula de trabajo al primer cilindro de trabajo y desde el segundo cilindro de trabajo a través de una segunda válvula de trabajo al recinto hueco de refrigeración, mientras que el medio de trabajo refrigerado fluye desde el recinto hueco de refrigeración a través de una primera válvula de carga al primer cilindro de carga y desde el segundo cilindro de carga a través de una segunda válvula de carga al recinto hueco de calefacción; y de modo que durante el segundo ciclo de trabajo el medio de trabajo calentado fluye desde el recinto hueco de calefacción a través de una tercera válvula de trabajo al segundo cilindro de trabajo y desde el primer cilindro de trabajo a través de una cuarta válvula de trabajo al recinto hueco de refrigeración, mientras que el medio de trabajo frío fluye desde el recinto hueco de refrigeración a través de una tercera válvula de carga al segundo cilindro de carga y desde el primer cilindro de carga a través de una cuarta válvula de carga al recinto hueco de calefacción; y de modo que durante el primer ciclo del motor la tercera y cuarta válvulas de trabajo y la tercera y cuarta válvulas de carga están cerradas, y durante el segundo ciclo del motor la primera y segunda válvulas de trabajo y la primera y segunda válvulas de carga están cerradas.These problems are solved by machine thermal according to the invention, which works with a working medium in two work cycles and comprising a first work piston, that moves in a first working cylinder and that by means of a first push rod is coupled to a transmission block linear force, which can move in the direction of movement of the first working piston; a first loading piston, that moves in a first load cylinder and that by means of a second push rod arranged parallel to the first push rod is coupled to the force transmission block linear; a second working piston, which moves in a second work cylinder in the opposite direction of work from the first working piston and that by means of a third push rod is coupled to the linear force transmission block; one second loading piston, which moves in a second loading cylinder in working direction opposite to that of the first loading piston and that by a fourth pushrod arranged parallel to the third push rod is coupled to the transmission block of linear force; a hollow heating enclosure, in which it is provided heat to the working environment; and a hollow cooling enclosure, in which extracts heat from the working environment; so that during the first working cycle the heated working medium flows from the hollow heating enclosure through a first valve work to the first work cylinder and from the second cylinder of work through a second working valve to the hollow enclosure cooling, while the cooled working medium flows from the hollow cooling enclosure through a first load valve to the first load cylinder and from the second load cylinder through a second load valve to hollow heating enclosure; and so that during the second cycle working the heated working medium flows from the enclosure heating hole through a third working valve to second working cylinder and from the first working cylinder to through a fourth working valve to the hollow enclosure of cooling, while the cold working medium flows from the hollow cooling enclosure through a third valve load to the second load cylinder and from the first cylinder of charge through a fourth charge valve to the hollow enclosure of heating; and so that during the first cycle of the engine the third and fourth working valves and the third and fourth valves of load are closed, and during the second cycle of the engine the first and second working valves and the first and second loading valves are closed.
Esta máquina térmica ofrece la ventaja de que los pistones de trabajo y de carga están dispuestos de modo que pueden proporcionar fuerzas lineales directamente a un bloque de transmisión de fuerza lineal, sin que sean necesarios otros elementos de engranaje. De esta manera se evitan fuerzas transversales. Se pueden por tanto reducir también notablemente las pérdidas por fricción, generalmente elevadas en las estructuras convencionales. Mediante la asociación simétrica de dos pistones de trabajo y dos pistones de carga, por la máquina según la invención se puede proporcionar energía mecánica en los dos ciclos de trabajo, por lo que la cantidad de energía proporcionada en cada caso está distribuida de modo relativamente uniforme a lo largo del tiempo. Sólo es necesaria una pequeña magnitud de energía para vencer los puntos muertos remanentes, por lo que por ejemplo las masas de inercia a emplear se pueden mantener pequeñas. La estructura según la invención ofrece también la ventaja de que la máquina es de auto-arranque, por lo que se pueden ahorrar medios auxiliares de arranque convencionales.This thermal machine offers the advantage that work and load pistons are arranged so that they can provide linear forces directly to a block of linear force transmission, without requiring others gear elements In this way forces are avoided transversal. Therefore, the friction losses, generally high in structures conventional. Through the symmetrical association of two pistons of work and two loading pistons, by the machine according to the invention mechanical energy can be provided in the two work cycles, so the amount of energy provided in each case is distributed relatively evenly over time. Only a small amount of energy is necessary to overcome the remaining dead spots, so for example the masses of inertia to be used can be kept small. The structure according The invention also offers the advantage that the machine is of auto-start, so you can save means conventional starting auxiliaries.
En una forma de realización variante de la máquina térmica según la invención, ésta se desvía del estricto principio lineal y en lugar de las varillas de empuje se emplean bielas, que unen los pistones de trabajo y de carga, mediante muñones, con un cigüeñal. Las dos parejas de pistones atacan entonces con un desfase de 180º al cigüeñal.In a variant embodiment of the thermal machine according to the invention, this deviates from the strict linear principle and instead of push rods are used connecting rods, which connect the work and load pistons, by stumps, with a crankshaft. The two pairs of pistons attack then with a 180º offset to the crankshaft.
En una forma de realización preferente de la máquina térmica según la invención, el recinto hueco de calefacción y el recinto hueco de refrigeración poseen cada uno un volumen constante, si bien el volumen de los dos recintos huecos puede ser también idéntico.In a preferred embodiment of the thermal machine according to the invention, the hollow heating enclosure and the hollow cooling enclosure each have a volume constant, although the volume of the two hollow enclosures can be also identical.
Una forma de realización variante se caracteriza porque el bloque de transmisión de fuerza lineal es un bastidor apoyado de modo desplazable sobre columnas de guiado, que por un primer lado está acoplado al primer pistón de trabajo y al primer pistón de carga y por un segundo lado, opuesto al primero, está acoplado al segundo pistón de trabajo y al segundo pistón de carga. Esta forma de realización permite una estructura mecánica particularmente sencilla, en la cual el primer pistón de trabajo y el primer pistón de carga por una parte y el segundo pistón de trabajo y el segundo pistón de carga por otra parte están dispuestos paralelamente unos respecto a otros, de modo que los pistones de trabajo y los pistones de carga se mueven en cada caso en direcciones opuestas unos respecto a otros y transmiten las fuerzas linealmente al bloque de transmisión de fuerza lineal, o respectivamente las reciben de éste.A variant embodiment is characterized because the linear force transmission block is a frame supported in a sliding way on guide columns, which by a first side is coupled to the first working piston and the first loading piston and on the second side, opposite the first, is coupled to the second working piston and the second loading piston. This embodiment allows a mechanical structure particularly simple, in which the first working piston and the first loading piston on the one hand and the second piston of work and the second loading piston on the other hand are arranged in parallel with respect to each other, so that the pistons of work and load pistons move in each case in opposite directions with respect to each other and transmit forces linearly to the linear force transmission block, or respectively they receive them from it.
En una forma de realización particularmente conveniente, todas las válvulas son maniobradas mecánicamente por el bloque de transmisión de fuerza lineal. Se puede prescindir por tanto de costosos mecanismos de control mecánicos o electrónicos respectivamente. Esto conduce a una estructura muy robusta y fiable de la máquina térmica. Sin embargo, en formas de realización variantes, las válvulas pueden ser también controladas mediante señales eléctricas y estar diseñadas por ejemplo como válvulas electromagnéticas o configuradas como válvulas hidráulicas. Esto es conveniente por ejemplo si se desea una elevada precisión en relación con los instantes de conmutación de las válvulas y una elevada velocidad de conmutación.In an embodiment particularly convenient, all valves are mechanically maneuvered by the linear force transmission block. It can be dispensed with by both of expensive mechanical or electronic control mechanisms respectively. This leads to a very robust and reliable structure. of the thermal machine. However, in embodiments variants, the valves can also be controlled by electrical signals and be designed for example as valves electromagnetic or configured as hydraulic valves. This is convenient for example if high accuracy is desired in relationship with the valve switching instants and a high switching speed
Una forma de realización desarrollada se caracteriza por un bloque de transmisión de fuerza lineal con una cremallera sujeta a él, de modo que dos engranajes de piñón libre que actúan en sentidos contrarios engranan en la cremallera y transforman el movimiento lineal alternativo, mediante una rueda dentada coordinada, en un movimiento de giro uniforme. Esta forma de realización se puede emplear ventajosamente, si hay que transformar la fuerza lineal puesta a disposición en un movimiento de giro, tal como es deseable por ejemplo en automóviles.A developed embodiment will be characterized by a linear force transmission block with a zipper attached to it, so that two freewheel gears acting in opposite directions mesh on the zipper and transform the alternative linear movement, using a wheel Coordinated toothed, in a uniform turning movement. This form of realization can be used advantageously, if it is necessary to transform the linear force made available in a turning movement, such as is desirable for example in cars.
En una forma de realización variante, en lugar de la cremallera, un devanado de excitación eléctrico que se extiende longitudinalmente está acoplado al bloque de transmisión de fuerza lineal, alrededor del cual están situadas bobinas eléctricas. Es posible por tanto proporcionar energía eléctrica.In a variant embodiment, instead of the zipper, an electric excitation winding that extends longitudinally it is coupled to the force transmission block linear, around which electric coils are located. Is It is therefore possible to provide electricity.
Si los pistones están acoplados mediante bielas a un cigüeñal, se puede prescindir del engranaje para la transformación del movimiento lineal en un movimiento de giro.If the pistons are coupled by connecting rods to a crankshaft, you can do without the gear for the transformation of the linear movement into a turning movement.
Una forma de realización ventajosa se caracteriza porque el recinto hueco de calefacción está configurado como colector solar. La aportación de calor tiene lugar entonces directamente mediante radiación solar. Como desarrollo de esta forma de realización, las relaciones de presión y volumen en la máquina térmica se pueden elegir según las leyes de la termodinámica de modo que en el recinto hueco de refrigeración tenga lugar una expansión del medio de trabajo, que tiene como consecuencia un enfriamiento. La "fuente fría" así proporcionada se puede utilizar para la refrigeración o climatización respectivamente del entorno.An advantageous embodiment is characterized because the hollow heating enclosure is configured as solar collector. The heat input then takes place directly by solar radiation. How do I develop this way? of realization, the relations of pressure and volume in the machine thermal can be chosen according to the laws of thermodynamics so that an expansion takes place in the hollow cooling enclosure of the working environment, which results in cooling. The "cold source" thus provided can be used for cooling or air conditioning respectively of the environment.
Los problemas arriba citados se resuelven también mediante una unidad de motor, en la cual están conectadas conjuntamente al menos dos máquinas térmicas del tipo según la invención, estando preferentemente conectadas conjuntamente cuatro máquinas térmicas desfasadas 90º cada una. Mediante una disposición de este tipo de varias máquinas térmicas según la invención se puede aumentar la potencia global y mejorar las propiedades de marcha de una unidad de motor correspondiente. Como las máquinas individuales trabajan con desfase, se obtiene una distribución más uniforme de la energía mecánica proporcionada, porque los puntos muertos se encuentran también desfasados 90º en cada caso.The problems mentioned above are also resolved. by means of a motor unit, in which they are connected at least two thermal machines of the type according to the invention, preferably four being connected together 90º offset thermal machines each. Through a provision of this type of several thermal machines according to the invention it is possible to increase the overall power and improve the running properties of a corresponding motor unit. As individual machines they work with lag, you get a more uniform distribution of the mechanical energy provided, because the dead spots are they also find 90º out of date in each case.
Otros detalles, desarrollos y ventajas se deducen de la descripción que sigue de formas de realización preferentes de la presenta invención, haciendo referencia a los dibujos. Muestran:Other details, developments and advantages are deduced of the following description of preferred embodiments of the present invention, referring to the drawings. They show:
Fig. 1 un diagrama de bloques de principio de una máquina térmica, representado durante un primer ciclo de trabajo;Fig. 1 a block diagram of the beginning of a thermal machine, represented during a first cycle of job;
Fig. 2 el diagrama de bloques de principio de la máquina térmica, representado durante un segundo ciclo de trabajo;Fig. 2 the principle block diagram of the thermal machine, represented during a second cycle of job;
Fig. 3 una representación simplificada de un engranaje de cremallera de la máquina térmica.Fig. 3 a simplified representation of a rack gear of the thermal machine.
En Fig. 1 se representa una máquina térmica según la invención en un diagrama de principio, encontrándose la máquina en esta representación en un primer ciclo de trabajo. La máquina térmica posee un primer pistón de trabajo 1, que se mueve en un primer cilindro de trabajo 2. Al primer pistón de trabajo 1 está sujeta una primera varilla de empuje 3, que se extiende esencialmente en línea recta hasta un bloque de transmisión de fuerza lineal 4 dispuesto centralmente y que está sujeta a un primer lado 5 de este bloque de transmisión de fuerza lineal 4. Está previsto además un primer pistón de carga 7, que se mueve en un primer cilindro de carga 8 y que mediante una segunda varilla de empuje 9 está acoplado también al primer lado 5 del bloque de transmisión de fuerza lineal 4. La segunda varilla de empuje 9 se extiende esencialmente paralela a la primera varilla de empuje 3. El volumen de trabajo del primer cilindro de trabajo 2 está diseñado notablemente mayor que el volumen de trabajo del primer cilindro de carga 8.In Fig. 1 a thermal machine according to the invention in a principle diagram, the machine being in this representation in a first work cycle. Machine thermal has a first working piston 1, which moves in a first working cylinder 2. The first working piston 1 is holds a first pushrod 3, which extends essentially straight up to a transmission block of linear force 4 arranged centrally and which is subject to a first side 5 of this linear force 4 transmission block. It is also provided a first loading piston 7, which moves in a first load cylinder 8 and that by means of a second rod of thrust 9 is also coupled to the first side 5 of the block of linear force transmission 4. The second push rod 9 is extends essentially parallel to the first pushrod 3. The Working volume of the first working cylinder 2 is designed noticeably greater than the working volume of the first cylinder of load 8.
Por el lado opuesto del bloque de transmisión de fuerza lineal 4 está previsto un segundo pistón de trabajo 11, que se mueve a su vez en un segundo cilindro de trabajo 12 y que mediante una tercera varilla de empuje 13 está acoplado al bloque de transmisión de fuerza lineal 4. La tercera varilla de empuje 13 está sujeta a un segundo lado 14 del bloque de transmisión de fuerza lineal 4, estando el segundo lado 14 situado opuesto, esencialmente paralelo, al primer lado 5. De modo complementario al primer pistón de carga 7 está previsto además un segundo pistón de carga 16, que trabaja en un segundo cilindro de carga 17 y que mediante una cuarta varilla de empuje 18 está en unión asimismo con el segundo lado 14 del bloque de transmisión de fuerza lineal 4. El volumen de trabajo del segundo cilindro de trabajo 12 corresponde esencialmente al volumen de trabajo del primer cilindro de trabajo 2, mientras que el volumen de trabajo del segundo cilindro de carga 17 corresponde esencialmente al volumen de trabajo del primer cilindro de carga 8 y es menor que el volumen de trabajo de los cilindros de trabajo.On the opposite side of the transmission block of linear force 4 is provided a second working piston 11, which it moves in turn in a second work cylinder 12 and that by a third push rod 13 is coupled to the block of linear force transmission 4. The third push rod 13 is attached to a second side 14 of the force transmission block linear 4, the second side 14 being opposite, essentially parallel to the first side 5. Complementary to the first piston of load 7 a second load piston 16 is also provided, which works in a second load cylinder 17 and that by means of a fourth push rod 18 is also connected to the second side 14 of the linear force transmission block 4. The volume of work of the second working cylinder 12 corresponds essentially to the working volume of the first working cylinder 2, while the working volume of the second load cylinder 17 corresponds essentially the working volume of the first load cylinder 8 and It is smaller than the working volume of the work cylinders.
La máquina térmica posee por lo demás un recinto hueco de calefacción 20 y un recinto hueco de refrigeración 21, que tienen preferentemente un volumen invariable, presentando en particular el recinto hueco de calefacción 20 y el recinto hueco de refrigeración 21 un volumen casi idéntico. Tanto en el recinto hueco de calefacción 20 como en el recinto hueco de refrigeración 21 y además en los cilindros y en las conducciones de unión que se extienden entre éstos se encuentra un medio de trabajo cuya dirección de flujo se señala mediante flechas individuales. Como medio de trabajo se emplean preferentemente materias con punto de ebullición relativamente bajo, como agua, alcohol, éter o helio, debiéndose elegir la materia especial teniendo en consideración la finalidad de uso respectiva y las temperaturas de trabajo empleadas. En el recinto hueco de calefacción se aporta continuamente calor al medio de trabajo. Se utiliza para ello una fuente de calor externa. Para la calefacción se pueden por ejemplo quemar combustibles, o como fuente de calor se puede utilizar calor de evacuación disponible en el caso particular respectivo. También puede ser particularmente ventajoso diseñar el recinto hueco de calefacción como colector solar o aportar al mismo, de alguna otra manera apropiada, la energía térmica proporcionada mediante la radiación solar. La configuración del recinto hueco de calefacción como colector solar ha resultado particularmente sencilla y útil, porque por una parte permite conducir el medio de trabajo fácilmente a través de los colectores solares y por otra parte la energía solar utilizada está disponible sin coste alguno.The thermal machine also has an enclosure heating hollow 20 and a hollow cooling enclosure 21, which preferably have an invariable volume, presenting in particular the hollow heating enclosure 20 and the hollow enclosure of refrigeration 21 an almost identical volume. Both in the hollow enclosure heating 20 as in the hollow cooling room 21 and also in the cylinders and in the connecting pipes that extend between these is a working environment whose Flow direction is signaled by individual arrows. How working materials are preferably used materials with a point of relatively low boil, such as water, alcohol, ether or helium, having to choose the special subject considering the respective purpose of use and the working temperatures used. Heat is continuously supplied to the hollow heating room working medium An external heat source is used for this. For heating, for example, you can burn fuels, or As heat source evacuation heat can be used available in the respective particular case. Can also be particularly advantageous to design the hollow heating enclosure as a solar collector or contribute to it, in some other way appropriate, the thermal energy provided by radiation solar. The configuration of the hollow heating enclosure as solar collector has been particularly simple and useful, because on the one hand it allows the working environment to be easily driven to through solar collectors and on the other hand solar energy used is available at no cost.
Para poner en práctica el principio de la máquina termodinámica, en el recinto hueco de refrigeración se extrae calor del medio de trabajo, por lo que la temperatura del medio de trabajo al abandonar el recinto hueco de refrigeración es menor que al entrar en éste.To implement the machine principle thermodynamics, heat is extracted in the hollow cooling enclosure of the working environment, so the temperature of the working environment when leaving the hollow cooling enclosure it is less than at Enter this one.
A continuación se describe en detalle el primer ciclo de trabajo de la máquina térmica. Durante el primer ciclo de trabajo, el medio de trabajo calentado fluye entrando, a través de una primera conducción 25 de medio caliente y de una primera válvula de trabajo 26 abierta, en el primer cilindro de trabajo 2, por lo que el primer pistón de trabajo 1 es expelido y ejerce con ello, mediante la primera varilla de empuje 3, una fuerza que actúa linealmente sobre el bloque de transmisión de fuerza lineal 4. El bloque de transmisión de fuerza lineal 4 efectúa un movimiento lineal de izquierda a derecha, tal como se representa mediante la flecha dibujada. Debido al acoplamiento mediante la segunda varilla de empuje 9, también el primer pistón de carga 7 se mueve saliendo del primer cilindro de carga 8, por lo que el medio de trabajo frío puede fluir entrando, a través de una primera válvula de carga 27 abierta y de una primera conducción de carga 28, en el primer cilindro de carga 8. La fuerza disponible depende de la cantidad de calor aportada, porque la misma viene determinada por la dilatación del medio de trabajo en el recinto hueco de calefacción y por tanto por la cantidad en volumen que es comprimida en el primer cilindro de trabajo 2.The first one is described in detail below. thermal machine work cycle. During the first cycle of work, the heated working medium flows entering, through a first conduit 25 of hot medium and a first valve of working 26 open, in the first working cylinder 2, so that the first working piston 1 is expelled and exerts with it, by the first pushrod 3, a force that acts linearly on the linear force transmission block 4. The linear force transmission block 4 performs a movement linear from left to right, as represented by the drawn arrow. Due to the coupling by the second rod thrust 9, also the first loading piston 7 moves out of the first load cylinder 8, so that the cold working medium it can flow entering, through a first loading valve 27 open and a first load line 28, in the first load cylinder 8. The available force depends on the amount of heat provided, because it is determined by the expansion of the working environment in the hollow heating room and therefore by the amount in volume that is compressed in the first cylinder working 2.
La fuerza proporcionada mediante el primer pistón de trabajo 1 es transmitida, a través del bloque de transmisión de fuerza lineal 4, también a la tercera varilla de empuje 13 y a la cuarta varilla de empuje 18. Por tanto, el medio de trabajo enfriado que se encuentra en el segundo cilindro de carga 17 es expelido por el segundo pistón de carga 16 y fluye volviendo, a través de una primera conducción de retorno 29 y de una segunda válvula de carga 30 abierta, al recinto hueco de calefacción 20, en el cual se calienta de nuevo y experimenta una dilatación de volumen. Igualmente, el medio de trabajo todavía relativamente caliente, que se encuentra en el segundo cilindro de trabajo 12, es expelido mediante el segundo pistón de trabajo 11, de modo que fluye volviendo, a través de una segunda conducción de retorno 31 y de una segunda válvula de trabajo 32 abierta, al recinto hueco de refrigeración 21. En el recinto hueco de refrigeración 21 se extrae calor del medio de trabajo relativamente caliente.The force provided by the first piston of work 1 is transmitted, through the transmission block of linear force 4, also to the third push rod 13 and to the fourth push rod 18. Therefore, the working medium cooled found in the second load cylinder 17 is expelled by the second loading piston 16 and flows back, through a first return line 29 and a second load valve 30 open, to the hollow heating room 20, in which Heat again and experience a dilation of volume. Similarly, the work environment is still relatively hot, which is in the second working cylinder 12, is expelled by the second working piston 11, so that it flows returning, through a second return line 31 and a second working valve 32 open, to the hollow enclosure of cooling 21. In the hollow cooling room 21, the relatively hot working medium heat.
Durante el primer ciclo de trabajo que se acaba de describir, una tercera válvula de trabajo 33 situada entre el recinto hueco de calefacción 20 y el segundo cilindro de trabajo 12, una tercera válvula de carga 34 conectada entre el segundo cilindro de carga 17 y el recinto hueco de refrigeración 21, una cuarta válvula de trabajo 35 conectada entre el recinto hueco de refrigeración 21 y el primer cilindro de carga 2, y una cuarta válvula de carga 36 conectada entre el primer cilindro de carga 8 y el recinto hueco de calefacción 20 se encuentran en estado cerrado. Este control de las válvulas ocasiona que de las dos conducciones respectivas que están conectadas a cada cilindro, sólo una conducción esté abierta, por lo que se tienen relaciones de flujo definidas. El control de las válvulas citadas se efectúa, en la forma de realización representada, de manera mecánica mediante varillas de control, que comunican con el bloque de transmisión de fuerza lineal 4.During the first work cycle that ends to describe, a third working valve 33 located between the hollow heating enclosure 20 and the second working cylinder 12, a third load valve 34 connected between the second cylinder loading 17 and the hollow cooling enclosure 21, a fourth working valve 35 connected between the hollow enclosure of cooling 21 and the first load cylinder 2, and a fourth load valve 36 connected between the first load cylinder 8 and The hollow heating enclosure 20 is in a closed state. This control of the valves causes the two pipes respective that are connected to each cylinder, only one driving is open, so you have flow relationships defined. The control of the aforementioned valves is carried out in the represented embodiment, mechanically by control rods, which communicate with the transmission block of linear force 4.
El bloque de transmisión de fuerza lineal 4 está apoyado con casquillos de guiado 40 sobre columnas de guiado 41, de modo que se puede realizar un movimiento lineal con poca fricción.The linear force transmission block 4 is supported with guide bushes 40 on guide columns 41, of so that a linear movement can be performed with little friction.
Las relaciones de flujo en la máquina térmica durante el segundo ciclo de trabajo se explican ahora haciendo referencia a Fig. 2. Las posiciones de los pistones individuales en los cilindros, que se muestran en Fig. 2, corresponden a las de Fig. 1, pero durante un movimiento en sentido contrario, que se representa a su vez mediante una flecha en la zona del bloque de transmisión de fuerza lineal. Durante este movimiento mostrado de derecha a izquierda, el medio de trabajo caliente fluye desde el recinto hueco de calefacción 20, a través de una segunda conducción 45 de medio caliente, a través de la tercera válvula de trabajo 33 ahora abierta, al segundo cilindro de trabajo 12. El medio de trabajo que fluye entrando bajo presión en el segundo cilindro de trabajo 12 ocasiona un desplazamiento del segundo pistón de trabajo 11, actuando este movimiento mediante la tercera varilla de empuje 13 sobre el segundo lado 14 del bloque de transmisión de fuerza lineal 4. En el lado opuesto del bloque de transmisión de fuerza lineal, los pistones son empujados entrando en los cilindros, de modo que el primer pistón de carga 7 extrae bajo presión el medio desde el primer cilindro de carga 8, de modo que el mismo fluye entrando, a través de una tercera conducción de retorno 46, a través de la cuarta válvula de carga 38 abierta, en el recinto hueco de calefacción 20, en el cual se calienta de nuevo. Además, desde el recinto hueco de refrigeración 21 se aspira medio de trabajo frío, a través de una segunda conducción de carga 47, a través de la tercera válvula de carga 34 abierta, al segundo cilindro de carga 17, porque el segundo pistón de carga 16 se mueve saliendo de él. Por el contrario, el medio de trabajo es extraído bajo presión desde el primer cilindro de trabajo 2 por el primer pistón de trabajo 1, de modo que fluye entrando, a través de una cuarta conducción de retorno 48, a través de la cuarta válvula de trabajo 35 abierta, en el recinto hueco de refrigeración 21, en el cual se extrae calor del mismo. Durante el segundo ciclo de trabajo, la primera válvula de trabajo 26, la segunda válvula de trabajo 32, la primera válvula de carga 27 y la cuarta válvula de carga 36 están cerradas.The flow relationships in the thermal machine during the second work cycle they are now explained by doing reference to Fig. 2. The positions of the individual pistons in the cylinders, shown in Fig. 2, correspond to those in Fig. 1, but during a movement in the opposite direction, which represents in turn by an arrow in the area of the block of linear force transmission. During this movement shown from right to left, the hot working medium flows from the hollow heating enclosure 20, through a second conduction 45 of hot medium, through the third working valve 33 now open, to the second working cylinder 12. The means of work flowing under pressure into the second cylinder of work 12 causes a displacement of the second work piston 11, this movement acting by the third pushrod 13 on the second side 14 of the force transmission block linear 4. On the opposite side of the force transmission block linear, the pistons are pushed into the cylinders, of so that the first loading piston 7 removes the medium under pressure from the first load cylinder 8, so that it flows entering, through a third return line 46, through of the fourth open load valve 38, in the hollow enclosure of heating 20, in which it is heated again. Also, from the hollow cooling enclosure 21 is aspirated cold working medium, to through a second load line 47, through the third load valve 34 open, to the second load cylinder 17, because the second loading piston 16 moves out of it. For him On the contrary, the working medium is extracted under pressure from the first working cylinder 2 by the first working piston 1, of so that it flows entering, through a fourth conduction of return 48, through the fourth open working valve 35, in the hollow cooling room 21, in which heat is extracted from the same. During the second duty cycle, the first valve of work 26, the second work valve 32, the first valve load 27 and the fourth load valve 36 are closed.
En la forma de realización representada en las Fig. 1 y 2, el bloque de transmisión de fuerza lineal 4 ocasiona en cada caso, esencialmente en los puntos de inversión del movimiento lineal, la conmutación de las válvulas de control citadas, por lo que la fuerza necesaria para mantener el movimiento es proporcionada alternativamente por el primer pistón de trabajo y por el segundo pistón de trabajo. Debido al guiado estrictamente lineal de la fuerza, en esta forma de realización no se precisan en absoluto cigüeñales ni bielas, como es el caso en motores de combustión interna convencionales. Las solicitaciones del material son por tanto menores, lo que en unión con las velocidades de trabajo relativamente pequeñas conduce a una elevada vida de duración de la máquina y a una marcha notablemente suave. Sin embargo, formas de realización variantes de la invención pueden utilizar también el principio del cigüeñal.In the embodiment represented in the Fig. 1 and 2, the linear force transmission block 4 causes in each case, essentially at the reversal points of the movement linear, the switching of the aforementioned control valves, so that the force necessary to maintain the movement is provided alternatively for the first working piston and for the second working piston Due to the strictly linear guidance of the strength, in this embodiment they are not required at all crankshafts or connecting rods, as is the case in combustion engines Conventional internal Material requests are for both lower, which in conjunction with working speeds relatively small leads to a long life of the machine and a remarkably smooth ride. However, ways of variant embodiments of the invention may also use the crankshaft principle.
Para utilizar la energía mecánica proporcionada por ejemplo para fines de accionamiento, en la forma de realización representada, al bloque de transmisión de fuerza lineal 4 está adosada una cremallera 50, en la que engrana una rueda dentada 51. Debido al modo de funcionamiento de dos ciclos descrito de la máquina térmica se obtiene un movimiento lineal alternativo de la cremallera 50, que da como resultado un movimiento de giro de la rueda dentada 51 con sentido de rotación alternativo.To use the mechanical energy provided for example for drive purposes, in the embodiment represented, to the linear force transmission block 4 is attached a rack 50, in which a cogwheel gears 51. Due to the described two-cycle mode of operation of the thermal machine you get an alternative linear motion of the zipper 50, which results in a turning movement of the gearwheel 51 with alternate direction of rotation.
Fig. 3 muestra una representación simplificada de principio de una posibilidad para transformar este movimiento de giro con sentido de rotación alternativo en un movimiento de giro con sentido de rotación uniforme. La cremallera 50 engrana en este caso con un primer engranaje de piñón libre 52 y un segundo engranaje de piñón libre 53, que engranan a su vez cada uno con una rueda dentada central 54. Los engranajes de piñón libre 52, 53 están dispuestos de modo que, según la dirección del movimiento de la cremallera 50, sólo un engranaje de piñón libre efectúa en cada caso una transmisión de fuerza a la rueda dentada central 54, por lo que ésta es puesta en un movimiento de giro con sentido de rotación uniforme. A la rueda dentada central 54 puede estar sujeto un árbol de salida.Fig. 3 shows a simplified representation of principle of a possibility to transform this movement of turn with alternate direction of rotation in a turn movement with uniform rotation direction. The 50 rack gears in this case with a first freewheel gear 52 and a second freewheel gear 53, which in turn each with a central cogwheel 54. The freewheel gears 52, 53 are arranged so that, according to the direction of movement of the 50 rack, only one freewheel gear effect in each case a force transmission to the central cogwheel 54, so it is put into a turning movement with a sense of rotation uniform. A shaft 54 may be attached to a shaft output
La máquina térmica según la invención puede estar equipada también con cualesquiera otros tipos de engranajes. También es posible llevar a cabo el control de las válvulas, no por medios mecánicos sino de manera eléctrica, hidráulica u otra. La máquina térmica que se ha explicado puede ser constituida como unidad compacta, de modo que sea posible sin dificultades la interconexión de varias de tales unidades. De este modo se pueden constituir también por ejemplo motores, que unifiquen en sí mismos varias de estas unidades.The thermal machine according to the invention may be also equipped with any other types of gears. Too it is possible to carry out the control of the valves, not by means mechanical but electrically, hydraulically or otherwise. Machine thermal that has been explained can be constituted as a unit compact, so that interconnection is possible without difficulties of several such units. In this way they can be constituted also for example engines, which unify in themselves several of these units.
También es posible sustituir el guiado lineal de las fuerzas por un principio de cigüeñal, de modo que todos los pistones estén acoplados mediante bielas a un cigüeñal común.It is also possible to replace the linear guidance of forces by a crankshaft principle, so that all pistons are coupled by connecting rods to a common crankshaft.
Claims (9)
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- un primer pistón de trabajo (1), que se mueve en un primer cilindro de trabajo (2) y que mediante una primera varilla de empuje (3) está acoplado a un bloque de transmisión de fuerza lineal (4), que se puede desplazar en la dirección de movimiento del primer pistón de trabajo;a first working piston (1), that moves in a first working cylinder (2) and that by means of a first push rod (3) is coupled to a block of linear force transmission (4), which can be displaced in the direction of movement of the first working piston;
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- un primer pistón de carga (7), que se mueve en un primer cilindro de carga (8) y que mediante una segunda varilla de empuje (9) dispuesta paralelamente a la primera varilla de empuje (3) está acoplado al bloque de transmisión de fuerza lineal (4);a first loading piston (7), that moves in a first load cylinder (8) and that by means of a second push rod (9) arranged parallel to the first push rod (3) is coupled to the transmission block of linear force (4);
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- un segundo pistón de trabajo (11), que se mueve en un segundo cilindro de trabajo (12) en dirección de trabajo opuesta a la del primer pistón de trabajo (1) y que mediante una tercera varilla de empuje (13) está acoplado al bloque de transmisión de fuerza lineal (4);a second working piston (11), which moves in a second working cylinder (12) in working direction opposite to that of the first working piston (1) and which by means of a third push rod (13) is coupled to the linear force transmission block (4);
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- un segundo pistón de carga (16), que se mueve en un segundo cilindro de carga (17) en dirección de trabajo opuesta a la del primer pistón de carga (7) y que mediante una cuarta varilla de empuje (18) dispuesta paralelamente a la tercera varilla de empuje (13) está acoplado al bloque de transmisión de fuerza lineal (4);a second loading piston (16), which moves in a second load cylinder (17) in the direction of work opposite to that of the first loading piston (7) and that by a fourth push rod (18) arranged parallel to the third push rod (13) is coupled to the block of linear force transmission (4);
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- un recinto hueco de calefacción (20), en el cual se aporta calor al medio de trabajo; ya hollow heating enclosure (20), in which heat is contributed to the working environment; Y
- \bullet?
- un recinto hueco de refrigeración (21), en el cual se extrae calor del medio de trabajo;a hollow enclosure of cooling (21), in which heat is extracted from the medium of job;
- \bullet?
- de modo que durante el primer ciclo de trabajo el medio de trabajo calentado fluye desde el recinto hueco de calefacción (20) a través de una primera válvula de trabajo (26) al primer cilindro de trabajo (2) y desde el segundo cilindro de trabajo (12) a través de una segunda válvula de trabajo (32) al recinto hueco de refrigeración (21), mientras que el medio de trabajo refrigerado fluye desde el recinto hueco de refrigeración (21) a través de una primera válvula de carga (28) al primer cilindro de carga (8) y desde el segundo cilindro de carga (17) a través de una segunda válvula de carga (30) al recinto hueco de calefacción (20); y de modo que durante el segundo ciclo de trabajo el medio de trabajo calentado fluye desde el recinto hueco de calefacción (20) a través de una tercera válvula de trabajo (33) al segundo cilindro de trabajo (12) y desde el primer cilindro de trabajo (2) a través de una cuarta válvula de trabajo (35) al recinto hueco de refrigeración (21), mientras que el medio de trabajo enfriado fluye desde el recinto hueco de refrigeración (21) a través de una tercera válvula de carga (34) al segundo cilindro de carga (17) y desde el primer cilindro de carga (8) a través de una cuarta válvula de carga (36) al recinto hueco de calefacción (20); y de modo que durante el primer ciclo de trabajo la tercera y cuarta válvulas de trabajo (33, 35) y la tercera y cuarta válvulas de carga (34, 36) están cerradas, y durante el segundo ciclo de trabajo la primera y segunda válvulas de trabajo (26, 32) y la primera y segunda válvulas de carga (27, 30) están cerradas.so that during the first work cycle the heated work medium flows from the hollow heating enclosure (20) through a first valve work (26) to the first work cylinder (2) and from the second working cylinder (12) through a second working valve (32) to the hollow cooling enclosure (21), while the medium refrigerated working flows from the hollow cooling enclosure (21) through a first load valve (28) to the first load cylinder (8) and from the second load cylinder (17) to through a second load valve (30) to the hollow enclosure of heating (20); and so that during the second work cycle the heated working medium flows from the hollow enclosure of heating (20) through a third working valve (33) to second working cylinder (12) and from the first cylinder of work (2) through a fourth work valve (35) to hollow cooling enclosure (21), while the means of cooled work flows from the hollow cooling enclosure (21) through a third load valve (34) to the second cylinder of load (17) and from the first load cylinder (8) through a fourth load valve (36) to the hollow heating enclosure (20); Y so that during the first work cycle the third and fourth work valves (33, 35) and the third and fourth load valves (34, 36) are closed, and during the second work cycle the first and second working valves (26, 32) and the first and Second loading valves (27, 30) are closed.
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