ES2595936B1 - Máquina Stirling - Google Patents

Abstract

Máquina Stirling que comprende una pluralidad de cilindros (2) y un fluido de trabajo dispuesto al menos en el interior de dichos cilindros (2). Cada cilindro (2) comprende un pistón (3) que separa dos zonas de trabajo (2a, 2b), una asociada a un foco frío (2a) y otra asociada a un foco caliente (2b). Los cilindros (2) están comunicados fluídicamente entre sí de manera que la zona fría (2a) de un cilindro (2) está comunicada con la zona caliente (2b) del cilindro (2) contiguo. El fluido de trabajo provoca el desplazamiento del pistón (3) correspondiente haciendo que los volúmenes de trabajo (2a y 2b) correspondientes varíen durante el ciclo de trabajo. El motor Stirling (1) también comprende una placa de distribución (4) que comprende un canal que está comunicado fluídicamente con las zonas frías (2a) de los cilindros (2) a través de una zona estrangulada respectiva.

Description

"Máquina Slirling"

SECTOR DE LA TÉCNICA

La presente invención se relaciona con máquinas Stirling, y más concretamente con máquinas Stirling que comprenden una pluralidad de cilindros.

ESTADO ANTERIOR DE LA TÉCNICA

Una máquina Slirling puede trabajar como un generador, es decir, como un motor, o como bomba de calor. Los motores Slirling, al igual que las bombas de calor, son bien conocidos en el estado de la técnica. Un motor Stirling es un motor térmico que comprende un foco caliente y un foco frío de manera que se consigue que un fluido de trabajo en forma gaseosa siga un ciclo termodinámico en donde dicho fluido de trabajo es comprimido y expandido de manera cíclica, produciéndose una conversión neta de energía calorífica en energía mecánica. En el caso de una bomba de calor el proceso sería el inverso, es decir, a partir de una energía mecánica aportada, se consigue una diferencia de temperatura entre un foco caliente y un foco frío.

Los motores basados en tecnología Stirling, al igual que las bombas de calor de esta misma tecnología, comprenden uno o varios cilindros, estando éstos comunicados fluídicamente entre sí. Los cilindros comprenden un pistón unido a un vástago. La compresión y expansión del fluido de trabajo propicia el desplazamiento del pistón y por lo tanto, también del vástago.

US3927529A divulga un motor Stirling que comprende cuatro cilindros de doble acción. Cada cilindro comprende un pistón que separa dos cámaras, una superior y una inferior, cuyos volúmenes varían a medida que se desplaza el pistón dentro del cilindro correspondiente. Las cámaras superiores de cada cilindro son calentadas mediante medios calefactores, manteniendo dichas cámaras a alta temperatura, y las cámaras inferiores son

enfriadas mediante medios de refrigeración, manteniendo dichas cámaras a baja temperatura. La cámara inferior de un cilindro está comunicada f1uídicamente con la cámara

superior del cilindro contiguo. El motor Stirling comprende una válvula conectada a una fuente de gas (gas de trabajo) que permite realizar el llenado de los cilindros a través de un circuito de tuberías y válvulas antirretorno. Otra válvula es utilizada para evacuar el gas contenido en los cilindros, por ejemplo a la atmósfera o a un depósito.

EXPOSICiÓN DE LA INVENCiÓN

El objeto de la invención es el de proporcionar una máquina Stirling, tal y como se describe a continuación.

La máquina Stirling de la invención comprende una pluralidad de cilindros y un fluido de trabajo dispuesto al menos en el interior de dichos cilindros. Cada cilindro comprende un pistón que separa dos zonas de trabajo, una asociada a un foco frío y otra asociada a un foco caliente. Los cilindros están comunicados f1uídicamente entre sí de manera que la zona fría de un cilindro está comunicada con la zona caliente del cilindro contiguo de manera que el fluido de trabajo provoca el desplazamiento del pistón correspondiente, haciendo que los volúmenes de la zona fría y la zona caliente del cilindro correspondiente varíen durante el ciclo de trabajo.

La máquina Stirling de la invención también comprende una placa de distribución que comprende un canal que está comunicado f1uídicamente con las zonas frías de los cilindros a través de una zona estrangulada respectiva.

Con la máquina Stirling de la invención se consigue realizar el llenado de los cilindros con el fluido de trabajo de manera simultánea y homogénea, asegurando que todos los cilindros se llenen a la vez y a la misma presión, evitando descompensaciones de presión entre cilindros durante el llenado de los mismos que pueden provocar pérdidas de rendimiento y de potencia de la máquina durante su funcionamiento.

Estas y otras ventajas y características de la invención se harán evidentes a la vista de las figuras y de la descripción detallada de la invención.

DESCRIPCiÓN DE LOS DIBUJOS

La figura 1A muestra una vista en perspectiva seccionada de una realización de la máquina Stirling según la invención.

La figura 1 B muestra el detalle B de la figura 1.

La figura 2 es una vista en perspectiva de la placa de distribución de la máquina Stirling de la figura 1.

La figura 3 es una vista seccionada de la placa de distribución de la figura 2.

La figura 4A es una vista en perspectiva del tapón de la placa de distribución de la figura 2.

La figura 48 es una vista seccionada del tapón de la figura 4A.

La figura 5 es una representación esquemática de la disposición de los cilindros de la máquina Stirling de la figura 1.

EXPOSICiÓN DETALLADA DE LA INVENCiÓN

Aunque la invención se refiere a una máquina Striling , en los dibujos y en la descripción que sigue se hace referencia a un motor Stirling 1. Todo lo que se comenta para el motor Stirling 1 es perfectamente válido para el caso de una bomba de calor que utiliza la misma tecnología.

La figura 1A muestra una realización preferente de un motor Stirling 1, es decir de un motor térmico de combustión externa y ciclo cerrado. El motor Stirling 1 de la invención es un motor multicilindro. En la realización preferente el motor Stirling 1 comprende cinco cilindros 2 aunque en la figura 1A sólo se muestran tres de ellos debido a que la figura 1A es una vista seccionada, pero realmente, el número de cilindros 2 es irrelevante para la invención.

Cada cilindro 2 del molor Stirling 1 de la realización preferente, al igual que los cilindros del estado de la técnica, comprende un pistón 3 dispuesto en el interior del cilindro 2 y un vástago 10 unido a dicho pistón 3, de manera que el desplazamiento de dicho pistón 3 también provoca el desplazamiento del vástago 10. Para provocar el desplazamiento del pistón 3 en el interior del cilindro 2, el motor Stirling 1 comprende un fluido de trabajo el cual está dispuesto en el interior de los cilindros 2. El fluido de trabajo es un fluido, preferentemente en estado gaseoso, como por ejemplo hidrógeno, helio o nitrógeno. En la realización preferente de la invención el fluido utilizado es nitrógeno.

El pistón 3 de cada cilindro 2 separa dos zonas de trabajo, una zona 2a asociada a un foco frío y otra zona 2b asociada a un foco caliente. El motor Stirling 1, al igual que los motores Stirling del estado de la técnica, es un motor de combustión externa y de ciclo cerrado. La zona caliente 2b del motor Stirling 1 es calentada por una fuente de calor externa, por ejemplo haciendo circular entre las aletas 13 de los cabezales de los cilindros 2 los humos de un quemador de gas convencional, de un quemador de biomasa, de un quemador mixto, etc. , o concentrando la energía solar en dichos cabezales, mientras que la zona fría 2a es enfriada por ejemplo por un circuito de refrigeración 12 que se dispone anexo a la zona fría 2a, tal y como se muestra en la figura 1.

Al calentarse el fluido de trabajo éste se expande y aumenta de presión, y al enfriarse el fluido de trabajo se contrae disminuyéndose la presión. Por lo tanto, cuando el motor Stirling 1 está en funcionamiento existe una diferencia de presión entre la zona caliente 2b y la zona fría 2a, lo cual provoca el desplazamiento del pistón 3.

Los cilindros 2 del motor Stirling 1 están comunicados fluídicamente entre sí de manera que la zona fría 2a de un cilindro 2 está comunicada con la zona caliente 2b del cilindro 2 contiguo, tal y como se ha representado esquemáticamente en la figura 5. El fluido de trabajo, al expandirse y contraerse, provoca el desplazamiento del pistón 3 correspondiente, haciendo que los volúmenes de la zona fría 2a y la zona caliente 2b del cilindro 2 correspondiente varíen durante el ciclo de trabajo.

Para asegurar el correcto funcionamiento del motor Stirling 1 y evitar pérdidas de potencia debido a descompensaciones de las presiones del fluido de trabajo, conviene que en una etapa inicial el llenado de los cilindros 2 con el fluido de trabajo se realice de una forma homogénea. Para ello, el motor Stirling 1 comprende una placa de distribución 4 a través de la cual se asegura que todos los cilindros 2 del motor Stirling 1, sin importar el número de cilindros 2, se llenen a la vez y a la misma presión .

El llenado del fluido de trabajo se realiza en una etapa inicial donde el motor Stirling 1 se encuentra parado. En caso de ser necesario vaciar el fluido de trabajo también se realiza estando el motor 1 parado.

La placa de distribución 4 comprende un canal 5, tal y como se muestra en las figuras 2 y 3, que está comunicado f1uídicamente con las zonas frías 2a de los cilindros 2 a través de una zona estrangulada 7a respectiva.

Tal y como se muestra en el ejemplo de las figuras 2 y 3, la placa de distribución 4 es preferentemente circular y el canal 5 también es preferentemente circular, aunque no se descartan otras formas como por ejemplo pentagonal. Los cilindros 2 según la realización preferente de la invención, se disponen de manera equidistante en el interior del círculo formado por el canal 5 y a la misma distancia radial respecto del canal 5, tal y como se aprecia en la figura 2. En dicha figura 2 únicamente se muestran los orificios guía 14 destinados a alojar los vástagos 10 de los cilindros 2 correspondientes.

El canal 5 según la realización preferente de la invención comprende orificios de paso 6, tantos como cilindros 2, estando cada orificio de paso 6 comunicado con la zona fría 2a del cilindro 2 correspondiente, tal y como se detallará más adelante. Cada orificio de paso 6 comunica el canal 5 con el orificio guía 14 correspondiente y comprende una sección transversal circular, siendo la longitud de los distintos orificios de paso 6 sustancialmente la misma. Tal y como se aprecia en la figura 3, cada orificio de paso 6 se extiende hasta la periferia de la placa de distribución 4 para posibilitar su fabricación y después se taponan de forma hermética para retener el fluido de trabajo, a excepción de una entrada que define un único punto de acceso 11. Dicho punto de acceso 11 comprende una llave de paso en forma de válvula, no mostrada en las figuras, que está comunicada con una fuente o un depósito donde se almacena el fluido de trabajo. La válvula comprende una posición cerrada donde no se permite la entrada ni salida del fluido de trabajo y una posición abierta donde se permite el paso del fluido de trabajo. El llenado, y en caso de ser necesario el vaciado, del

fluido de trabajo se realiza a través de dicho punto de acceso 11 .

En la realización preferente de la invención cada orificio de paso 6 comprende la zona estrangulada 7a respectiva. Cada orificio de paso 6 comprende medios para poder alojar y fijar un tapón 7 correspondiente que comprende la zona estrangulada 7a respectiva. Dichos medios se disponen en el extremo 6a del orificio de paso 6 más cercano al orificio guía 14 de manera que el fluido de trabajo abandona el orificio de paso 6 correspondiente a través de la zona estrangulada 7a respectiva. En la realización preferente de la invención, dichos medios se corresponden con medios roscados . En las figuras 4A y 48 se muestra uno de los tapones 7 y la zona estrangulada 7a respectiva y en la figura 1 B se muestra un detalle del extremo 6a de uno de los orificios de paso 6 pero sin el tapón 7. En la realización preferente de la invención, el lapón 7 es sustancialmente cilíndrico, tal y como se muestra en la figura 4A, comprendiendo en su interior la zona estrangulada 7a respectiva. Al menos parte de la superficie exterior de cada tapón 7 esta roscado pero por simplicidad en la interpretación de los dibujos, no se ha representado dicha rosca en las figuras 4A y 48. La longitud, así como el diametro, de la zona estrangulada 7a de los distintos tapones 7 es sustancialmente igual en todos los casos.

Cada tapón 7 está dispuesto preferentemente de manera amovible en el orificio de paso 6 correspondiente y en la realización preferente de la invención se han utilizado medios roscados para alojar y fijar dichos tapones 7 al extremo 6a del orificio de paso 6 correspondiente, tal y como se ha detallado en el párrafo anterior, aunque tampoco se descartan otros medios de fijación del tapón 7, como por ejemplo utilizando un ajuste por presión. Tampoco se descarta el fabricar directamente la zona estrangulada 7a en cada orificio de paso 6, prescindiendo así del tapón 7.

En la realización preferente de la invención, las zonas estranguladas 7a de los distintos tapones 7 son de sección circular y el ratio entre la longitud y el diametro es igualo mayor que diez, es decir, la longitud de cada zona estrangulada 7a es igual o mayor que diez veces el diámetro.

El motor Stirling 1 según la realización preferente de la invención, comprende una contraplaca 8 dispuesta encima de la placa de distribución 4, tal y como se muestra en la figura 1A, que cierra y hermetiza el canal 5. Para asegurar la estanqueidad de dicho canal 5 se pueden colocar juntas táricas dispuestas entre la placa de distribución 4, más concretamente entre el canal 5, y la contraplaca 8. La placa de distribución 4 según la realización preferente de la invención, comprende un alojamiento 16 a cada lado del canal 5 que posibilita y facilita la colocación de dichas juntas tóricas, no representadas en los dibujos. Fabricando la placa de distribución 4 y la contraplaca 8 de manera independiente se facilita la construcción del canal 5, aunque no se descarta la posibilidad de que la contraplaca 8 sea parte integral de la placa de distribución 4. En este último caso, no serían necesarias las juntas táricas, ni los alojamientos 16.

Gracias a la zona estrangulada 7a de cada orificio de paso 6 se posibilita que antes de que el fluido de trabajo se dirija hacia la zona fría 2a de cualquiera de los cilindros 2 primero se llene el canal 5 evitando cualquier camino preferente, asegurando de este modo que todos los cilindros 2 se llenen de manera simultánea, homogénea y a la misma presión, evitando cualquier descompensación en las presiones de los distintos cilindros 2 durante el llenado que pueda influenciar negativamente en el comportamiento de los distintos cilindros 2 durante el ciclo de trabajo. Por otro lado, las zonas estranguladas 7a evitan que el fluido de trabajo retorne hacia el canal 5 cuando el motor Stirling 1 está en marcha debido a la gran pérdida de carga provocada por dichas zonas estranguladas 7a, por lo que las zonas estranguladas 7a actúan como válvulas antirretorno pero con la ventaja de que no se utilizan elementos con partes móviles. Al reducir la utilización de elementos que comprenden partes móviles aumenta la durabilidad del motor Stirling 1, Y por lo tanto también la fiabilidad del motor 1. Como bien conoce el experto en la materia, los elementos móviles son susceptibles de deteriorarse con el tiempo o de sufrir desgaste pudiendo afectar al rendimiento y a la fiabilidad del motor 1.

El motor Stirling 1 según la realización preferente de la invención, también comprende una camisa 9 por cada cilindro 2 capaz de alojar al menos parte del cilindro 2 correspondiente y al menos parte del vástago 10 correspondiente, tal y como se muestra en la figura 1A. El vástago 10 está unido al pistón 3 correspondiente y por lo tanto, es desplazable. Entre la camisa 9 y el vástago 10 correspondiente ha de existir la holgura 15 suficiente para permitir que el vástago 10 se pueda deslizar sin problemas. El motor Stirling 1 según la realización preferente, comprende en la parte inferior de cada camisa 9 una junta hermética, no mostrada en los dibujos, para presurizar los cilindros 2 correspondientes, evitando así la fuga del fluido de trabajo.

De esta manera, en el motor Stirling 1 de la invención se presurizan únicamente los elementos que posibilitan el ciclo termodinámico, es decir, la placa de distribución 4, la contraplaca 8, los cilindros 2 y la camisa 9. Esto permite que el fluido de trabajo únicamente esté en contacto con estos elementos, evitando que el fluido de trabajo entre en contacto con otros elementos tales como los elementos mecánicos 15 que posibilitan la transmisión del movimiento de los vástagos 10 Y que como tales, al estar lubricados pOdrían contaminar el fluido de trabajo.

Cada camisa de pistón 9, según la realización preferente de la invención, comprende un orificio 9a, mostrado en el detalle de la figura 1 B, que comunica el orificio de paso 6 correspondiente, más específicamente la zona estrangulada 7a correspondiente, con la zona fría 2a del cilindro 2 correspondiente.

En la fase de llenado, el fluido de trabajo es introducido al canal 5 de la placa de distribución 4 a través del punto de acceso 11. Cuando el canal 5 está lleno, el fluido de trabajo sigue su camino a través de los orificios de paso 6 y las zonas estranguladas 7a correspondientes. Después, el fluido de trabajo atraviesa la camisa 9 correspondiente a través del orifico 9a respectivo y por último, el fluido de trabajo llega a la zona fría 2a del cilindro 2 correspondiente, y en consecuencia a la zona caliente 2b del cilindro 2 contiguo (ya que ambas zonas 2a y 2b están comunicadas) a través de la holgura 15 existente entre la camisa 9 y el vástago 10 correspondiente.

Claims (13)

1. REIVINDICACIONES

   1.

   Máquina Stirling que comprende una pluralidad de cilindros (2) y un fluido de trabajo dispuesto al menos en el interior de dichos cilindros (2), comprendiendo cada cilindro (2) un pistón (3) que separa dos zonas de trabajo (2a, 2b), una zona (2a) asociada a un foco frío y la otra zona (2b) asociada a un foco caliente, estando dichos cilindros (2) comunicados ftuídicamente de manera que la zona fría (2a) de un cilindro (2) está comunicada con la zona caliente (2b) del cilindro (2) contiguo, provocando dicho fluido de trabajo el desplazamiento del pistón (3) correspondiente, haciendo que los volúmenes de la zona fría (2a) y la zona caliente (2b) del cilindro (2) correspondiente varíen durante el ciclo de trabajo, caracterizada porque la máquina (1) también comprende una placa de distribución (4) que comprende un canal (5) que está comunicado fluídicamente con las zonas frías (2a) de los cilindros (2) a través de una zona estrangulada (7a) respectiva.

2. 2.

   Máquina Stirling según la reivindicación 1, en donde el canal (5) comprende orificios de paso (6), tantos como cilindros (2), estando cada orificio de paso (6) comunicado con la zona fría (2a) del cilindro (2) correspondiente y comprendiendo cada orificio de paso (6) la zona estrangulada (7a) respectiva .

3. 3.

   Máquina Stirling según la reivindicación 2, en donde cada orifico de paso (6) comprende en su interior un tapón (7) que comprende la zona estrangulada (7a) respectiva.

4. 4.

   Máquina Stirling según las reivindicación 3, en donde los tapones (7) están dispuestos de manera amovible en el orificio de paso (6) correspondiente.

5. 5.

   Máquina Stirling según la reivindicación 4, en donde los tapones (7) están roscados en un extremo (6a) del orificio de paso (6) correspondiente.

6. 6.

   Máquina Stirling según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde las zonas estranguladas (7a) tienen la misma longitud y el mismo diámetro.

7. 7.

   Máquina Stirling según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el canal

   (5) es preferentemente circular, estando dispuestos los cilindros (2) correspondientes de manera equidistante en el interior del canal (5) y a la misma distancia respecto del canal

   (5).

8. 8.

   Máquina Slirling según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la máquina (1 ) también comprende una contraplaca (8) dispuesta encima de la placa de distribución (4) que cierra y hermetiza el canal (5).

9. 9.

   Máquina Stirling según la reivindicación 8, en donde dicha contraplaca (8) es parte integral de la placa de distribución (4).

10. 10.

    Máquina Stirling según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 9, en donde la máquina (1) comprende una camisa de pistón (9) por cada cilindro (2) capaz de alojar al menos parte del cilindro (2) correspondiente y al menos parte de un vástago (10) que está unido al pistón (3) del cilindro (2) correspondiente, comprendiendo cada camisa de pistón (9) un orificio (9a) que comunica el orificio de paso (6) correspondiente con la zona fría (2a) del cilindro (2) correspondiente.

11. 11.

    Máquina Stirling según la reivindicaciones 10, en donde cada camisa de pistón (9) comprende en la parte inferior una junta hermética para presurizar los cilindros (2) correspondientes.

12. 12.

    Máquina Stirling según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la placa de distribución (4) comprende un único punto de acceso (11), comunicado con una fuente o un depósito donde se almacena el fluido de trabajo, por donde se realiza el llenado de los cilindros (2) correspondientes, y en caso de ser necesario el vaciado de los mismos.

13. 13.

    Máquina Stirling según la reivindicación 12, en donde el punto de acceso (11) comprende una llave de paso en forma de válvula, estando dicha válvula en una posición cerrada cuando la máquina (1) está en funcionamiento y en una posición abierta cuando se desea llenar o vaciar los cilindros (2) correspondientes.