ITNA20100049A1 - SINGLE-OPERATIONAL STIRLING MACHINE - Google Patents

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ITNA20100049A1
ITNA20100049A1 IT000049A ITNA20100049A ITNA20100049A1 IT NA20100049 A1 ITNA20100049 A1 IT NA20100049A1 IT 000049 A IT000049 A IT 000049A IT NA20100049 A ITNA20100049 A IT NA20100049A IT NA20100049 A1 ITNA20100049 A1 IT NA20100049A1
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IT
Italy
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machine
fluid
compressor
working fluid
stirling cycle
Prior art date
Application number
IT000049A
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Italian (it)
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Angelo Riccardo Gargano
Flavio Riccelli
Mario Scala
Original Assignee
Angelo Riccardo Gargano
Flavio Riccelli
Mario Scala
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02GHOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F02G1/044Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines having at least two working members, e.g. pistons, delivering power output
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02GHOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F02G2244/02Single-acting two piston engines

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Description

DESCRIZIONE DESCRIPTION

Dell’invenzione avente titolo “MACCHINA DI STIRLING A FLUSSO MONODIREZIONALE” Of the invention entitled "ONE-WAY FLOW STIRLING MACHINE"

DESCRIZIONE DESCRIPTION

CAMPO TECNICO TECHNICAL FIELD

1. La presente invenzione concerne il campo delle macchine basate sul Ciclo Stirling. Può trattarsi di motori, capaci di estrarre da energia termica una certa quantità di lavoro meccanico, da utilizzare in vario modo, ovvero può trattarsi di refrigeratori o criogeneratori che, funzionando a ciclo inverso rispetto ai motori, sfruttano il lavoro meccanico applicato per sottrarre calore aN’ambiente e generare basse temperature. La presente invenzione è una macchina a ciclo chiuso, come le usuali macchine Stirling, e, in particolare, presenta una vantaggiosa e innovativa architettura costruttiva che ne incrementa il rendimento e la potenza specifica. 1. The present invention relates to the field of machines based on the Stirling cycle. It can be motors, capable of extracting a certain amount of mechanical work from thermal energy, to be used in various ways, or it can be chillers or cryogenerators which, operating in reverse cycle with respect to the motors, exploit the mechanical work applied to subtract heat aN environment and generate low temperatures. The present invention is a closed cycle machine, like the usual Stirling machines, and, in particular, it has an advantageous and innovative construction architecture which increases its efficiency and specific power.

ARTE PREESISTENTE PRE-EXISTING ART

2. Il problema classico dei motori a ciclo Stirling è quello delle difficoltà di coordinamento tra la termodinamica e la meccanica. Infatti, le trasformazioni termodinamiche imposte dal ciclo prevedono delle variazioni di velocità, dovute rispettivamente aN’assorbimento di calore ed alla cessione di calore, che portano i pistoni a seguire un moto alquanto discontinuo. Tuttavia, il momento dell’accelerazione del pistone della camera di espansione non coincide affatto col momento della accelerazione del pistone (dislocatore) della camera di compressione. Raccordare il moto dei due pistoni in un moto uniforme, utile per attivare immediatamente un alternatore, non è semplice. Si è giunti così a soluzioni di compromesso, che tuttavia penalizzano fortemente il rendimento della macchina. Questo accade perché imponendo - a partire dall’asse di rotazione - il moto ai pistoni, questo risulta alquanto distante dalle esigenze della termodinamica del ciclo Stirling. 2. The classic problem of Stirling cycle engines is that of the coordination difficulties between thermodynamics and mechanics. In fact, the thermodynamic transformations imposed by the cycle provide for speed variations, due respectively to the absorption of heat and the transfer of heat, which lead the pistons to follow a somewhat discontinuous motion. However, the moment of acceleration of the piston of the expansion chamber does not coincide at all with the moment of acceleration of the piston (displacer) of the compression chamber. Connecting the motion of the two pistons in a uniform motion, useful for immediately activating an alternator, is not easy. In this way, compromise solutions have been reached, which however strongly penalize the performance of the machine. This happens because by imposing - starting from the rotation axis - the motion to the pistons, this is quite distant from the thermodynamics requirements of the Stirling cycle.

3. A queste difficoltà si è tentato di rispondere in diversi modi. Una risposta, che ha avuto un notevole successo, è stata offerta dall’innovazione proposta da W. Beale nella seconda metà del secolo scorso, con l’introduzione del motore Stirling c.d. “Free piston”. Il motore Free Piston è caratterizzato dall’assenza di manovellismi e dal fatto che è la stessa sequenza delle trasformazioni termodinamiche a determinare il movimento del pistone e del dislocatore, il cui moto è appunto determinato dalle c.d. onde di pressione, sicuramente con buon miglioramento del rendimento meccanico, anche se il sistema è di complessa progettazione, richiede l’utilizzo di generatori elettrici lineari, e comunque è difficile il perfetto isolamento termico tra la parte calda e la parte fredda. 3. Attempts have been made to respond to these difficulties in various ways. An answer, which was remarkably successful, was offered by the innovation proposed by W. Beale in the second half of the last century, with the introduction of the so-called Stirling engine "Free piston". The Free Piston engine is characterized by the absence of crank mechanisms and by the fact that it is the same sequence of thermodynamic transformations that determine the movement of the piston and the displacer, whose motion is precisely determined by the so-called pressure waves, certainly with a good improvement in mechanical performance, even if the system is of complex design, it requires the use of linear electric generators, and in any case perfect thermal insulation between the hot and cold parts is difficult.

4. Nello stato della tecnica è possibile rinvenire qualche esempio in tema di cinematismi innovativi. Ad es. si veda il brevetto US 5644917, in cui si propone l’utilizzo di ruote a camma con perni mobili che complessivamente rendono il ciclo reale molto simile a quello teorico. Tuttavia, per questo meccanismo, l’assorbimento di energia meccanica è davvero notevole 4. In the state of the art it is possible to find some examples on the subject of innovative kinematics. Eg. see US patent 5644917, in which the use of cam wheels with movable pins is proposed which overall make the real cycle very similar to the theoretical one. However, for this mechanism, the absorption of mechanical energy is truly remarkable

5. La recente domanda di brevetto degli stessi inventori (Scala-Riccelli-Gargano, deposito italiano prot. NA2010000043) unisce il rendimento meccanico elevato del Free Piston alla semplicità delle configurazioni con manovellismo; l’attuale invenzione è un ulteriore avanzamento verso la semplicità costruttiva ed il raggiungimento di potenze più elevate. 5. The recent patent application of the same inventors (Scala-Riccelli-Gargano, Italian filing prot. NA2010000043) combines the high mechanical performance of the Free Piston with the simplicity of configurations with crank mechanism; the current invention is a further advance towards constructive simplicity and the achievement of higher powers.

ESPOSIZIONE DELL’INVENZIONE EXHIBITION OF THE INVENTION

6. Il ciclo di Stirling ideale è caratterizzato dalle trasformazioni termodinamiche di una quantità di fluido che - a seguito dell’assorbimento e della cessione di calore - subisce variazioni termiche e volumetriche non simmetriche. L’asimmetria delle variazioni volumetriche si traduce in una asimmetria del moto dei pistoni spostati dal fluido. 6. The ideal Stirling cycle is characterized by the thermodynamic transformations of a quantity of fluid which - as a result of the absorption and transfer of heat - undergoes non-symmetrical thermal and volumetric variations. The asymmetry of the volumetric variations results in an asymmetry of the motion of the pistons moved by the fluid.

E’ possibile correggere questa asimmetria prevedendo tanti volumi (camere) distinti percorsi dal fluido, quante sono le fasi compiute dal medesimo fluido durante il ciclo di Stirling ideale. It is possible to correct this asymmetry by providing as many distinct volumes (chambers) traveled by the fluid, as are the phases completed by the same fluid during the ideal Stirling cycle.

Siccome il ciclo di Stirling ideale è suddiviso in quattro fasi (in ognuna fase il volume del fluido ha un andamento monotono e quindi vengono ad essere semplificati i relativi movimenti dei pistoni) sono previste quattro camere, non tutte uguali in volume, in cui il fluido compie, passando in sequenza da una camera all’altra, le trasformazioni termodinamiche -volumetriche tipiche del ciclo medesimo. Since the ideal Stirling cycle is divided into four phases (in each phase the volume of the fluid has a monotonous trend and therefore the relative movements of the pistons are simplified) there are four chambers, not all equal in volume, in which the fluid performs, passing in sequence from one chamber to another, the thermodynamic-volumetric transformations typical of the cycle itself.

Il fluido assume, di volta in volta, i valori volumetrici delle camere. I pistoni hanno quindi un moto simmetrico e uniforme. The fluid assumes, from time to time, the volumetric values of the chambers. The pistons therefore have a symmetrical and uniform motion.

Il sistema, perciò, si articola schematicamente in : The system, therefore, is schematically divided into:

- quattro camere, due in ambiente caldo (la prima di volume minore della seconda) e due in ambiente freddo (la prima di volume maggiore della seconda), ciascuna comunicante con quelle adiacenti; - four chambers, two in a warm environment (the first with a smaller volume than the second) and two in a cold environment (the first with a larger volume than the second), each communicating with the adjacent ones;

- sistema di luci ovvero valvole (secondo l’utilizzo di pistoni rotativi ovvero alternativi) , di carico e di scarico per ciascuna camera; - system of lights or valves (according to the use of rotary or alternative pistons), loading and unloading systems for each chamber;

- sistema di scambiatori, in modo che i flussi di fluido provenienti dal lato caldo e da quello freddo, incrociandosi, scambino calore; sono previsti scambiatori ausiliari tra le due camere ad alta temperatura, nonché tra le due camere a bassa temperatura, in modo da ottimizzare lo scambio termico con l’ambiente esterno. - system of exchangers, so that the flows of fluid coming from the hot and cold side, crossing each other, exchange heat; auxiliary exchangers are provided between the two high-temperature chambers, as well as between the two low-temperature chambers, in order to optimize the heat exchange with the external environment.

fluido di lavoro circolante all’interno delle camere, che entra nella camera calda minore, assorbe calore e si espande assumendo il volume della camera calda maggiore, passa poi alla camera fredda maggiore attraverso lo scambiatore, per poi cedere calore e comprimersi assumendo il volume della camera fredda minore; di qui, infine il fluido attraversa il detto scambiatore per tornare nella camera calda minore. Il pistone della camera calda maggiore e, in minor parte, quello della camera calda minore, estraggono lavoro meccanico. working fluid circulating inside the chambers, which enters the smaller hot chamber, absorbs heat and expands assuming the volume of the larger hot chamber, then passes to the larger cold chamber through the exchanger, and then releases heat and compresses assuming the volume of the minor cold room; from here, finally, the fluid passes through said exchanger to return to the smaller hot chamber. The piston of the larger hot runner and, to a lesser extent, that of the smaller hot runner, take out mechanical work.

Le camere, di compressione ed espansione, possono essere a struttura fissa (camere classiche con pistoni alternativi), oppure a struttura mobile, create dalla geometria e dal moto reciproco di statore e dispositivo(i) rotorico(i), come, ad esempio, nel caso dei rotori palettati. The compression and expansion chambers can be of a fixed structure (classic chambers with alternative pistons), or of a mobile structure, created by the geometry and reciprocal motion of the stator and rotor device (s), such as, for example, in the case of bladed rotors.

La descrizione della macchina viene fatta a partire dalla variante a pistoni alternativi, in quanto di più facile ed immediata comprensione. La variante a pistoni rotativi verrà illustrata in seguito, in maniera succinta, potendosi far riferimento ai principi costruttivi appresi nell’analisi della macchina con pistoni alternativi. The description of the machine is made starting from the alternative piston variant, as it is easier and more immediate to understand. The variant with rotary pistons will be illustrated below, in a succinct manner, being able to refer to the construction principles learned in the analysis of the machine with alternative pistons.

E' evidente che , a prescindere dalle soluzioni realizzative adottate, l'idea inventiva si compendia nella rivendicazione indipendente, numero 1 , così formulata: It is evident that, regardless of the implementation solutions adopted, the inventive idea is summarized in the independent claim, number 1, formulated as follows:

1) Macchina termica a ciclo Stirling, adatta per funzione motrice ovvero operatrice, 1) Stirling cycle thermal machine, suitable for driving or operating function,

comprendente: comprising:

- almeno due ambienti termicamente isolati (1 , 2), anche a differente temperatura; - at least two thermally insulated environments (1, 2), even at different temperatures;

- almeno una macchina compressore, adatta ad essere allocata in uno degli ambienti anzidetti e costruita con materiali almeno in parte termicamente conduttivi, in modo da scambiare calore con il fluido di lavoro e con l'ambiente in cui è collocata; - at least one compressor machine, suitable for being located in one of the aforementioned environments and built with at least partly thermally conductive materials, so as to exchange heat with the working fluid and with the environment in which it is located;

- almeno una macchina espansore, adatta ad essere allocata in uno degli ambienti anzidetti e costruita con materiali almeno in parte termicamente conduttivi, in modo da scambiare calore con il fluido di lavoro e con l'ambiente in cui è collocata; - at least one expanding machine, suitable for being located in one of the aforementioned environments and built with materials at least in part thermally conductive, so as to exchange heat with the working fluid and with the environment in which it is located;

- almeno uno scambiatore di calore, adatto a consentire lo scambio di calore tra i flussi di fluido di lavoro, aventi diversa temperatura, provenienti , rispettivamente, dalla macchina compressore e dalla macchina espansore; - at least one heat exchanger, suitable for allowing the exchange of heat between the working fluid flows, having different temperatures, coming, respectively, from the compressor machine and from the expander machine;

- fluido di lavoro, adatto a percorrere - in maniera ciclica e con flusso unidirezionale - un circuito, attraverso compressore, scambiatore ed espansore; essendo il fluido adatto a scambiare energia termica, anche con gli ambienti contenenti le macchine, nel detto percorso tra compressore, scambiatore ed espansore; detti ultimi dispositivi essendo atti a cooperare per indurre il fluido di lavoro a compiere trasformazioni termodinamiche tendenzialmente isoterme, nella circolazione attraverso la macchina compressore (compressione isoterma) e attraverso la macchina espansore (espansione isoterma); e a compiere trasformazioni rigenerative tendenzialmente isocore nel trasferimento, attraverso lo scambiatore, da una macchina all'altra; effettuando così il ciclo di Stirling, diretto o inverso. Si esaminano ora, in dettaglio e singolarmente, gli elementi che compongono la macchina, avvertendo il lettore che la descrizione è incentrata sul ciclo Stirling diretto. - working fluid, suitable for running - cyclically and with a unidirectional flow - a circuit, through compressor, exchanger and expander; the fluid being suitable for exchanging thermal energy, even with the environments containing the machines, in the said path between the compressor, exchanger and expander; said latter devices being able to cooperate to induce the working fluid to perform basically isothermal thermodynamic transformations, in the circulation through the compressor machine (isothermal compression) and through the expanding machine (isothermal expansion); and to perform regenerative transformations which tend to be isochore in the transfer, through the exchanger, from one machine to another; thus carrying out the Stirling cycle, direct or reverse. The elements that make up the machine are now examined in detail and individually, warning the reader that the description focuses on the direct Stirling cycle.

LE CAMERE: ROOMS:

7. La soluzione tecnica proposta è spiegata, come detto, nella rivendicazione indipendente numero 1. La configurazione elementare della macchina prevede quattro camere (volumi), ciascuna associata ad una delle quattro fasi tipiche del ciclo di Stirling (trasferimento isocoro dal lato freddo a quello caldo, espansione isoterma, trasferimento isocoro dal lato caldo al lato freddo e, infine, compressione isoterma). In ognuna di dette quattro camere si compie esclusivamente una delle quattro trasformazioni del ciclo Stirling. Precisamente, nella prima camera (lato caldo) avviene il trasferimento isocoro; nella seconda camera (lato caldo) avviene l’espansione isoterma vera e propria; nella terza camera (prima lato freddo) avviene il trasferimento isocoro; nella quarta camera (seconda lato freddo) avviene la compressione vera e propria. L’intero ciclo viene quindi compiuto col passaggio del fluido di lavoro da una camera all’altra. A differenza delle classiche configurazioni dei motori Stirling (Alfa, Beta e Gamma), in cui può - in linea di massima -distinguersi un unico volume caldo ed un unico volume freddo ed in cui il motore funziona col ciclico fluire del fluido dalla camera “calda” (di espansione) a quella “fredda (di compressione) , nella macchina di cui alla presente invenzione la camera di espansione e la camera di compressione sono distinte, ognuna di esse in camere di diverso volume, e l’intero ciclo si compie attraverso la circolazione del fluido in un “circuito” rappresentato dalle quattro (o più) camere. 7. The proposed technical solution is explained, as mentioned, in independent claim number 1. The elementary configuration of the machine provides four chambers (volumes), each associated with one of the four typical phases of the Stirling cycle (isochoric transfer from the cold side to the heat, isothermal expansion, isochoric transfer from the hot side to the cold side and, finally, isothermal compression). In each of these four chambers only one of the four transformations of the Stirling cycle takes place. Precisely, isochoric transfer takes place in the first chamber (hot side); in the second chamber (hot side) the actual isothermal expansion takes place; in the third chamber (first cold side) isochoric transfer takes place; in the fourth chamber (second cold side) the actual compression takes place. The entire cycle is then completed with the passage of the working fluid from one chamber to another. Unlike the classic configurations of Stirling engines (Alfa, Beta and Gamma), in which a single hot volume and a single cold volume can - in principle - be distinguished and in which the engine works with the cyclic flow of fluid from the "hot chamber" "(Expansion) to" cold (compression), in the machine of the present invention the expansion chamber and the compression chamber are distinct, each of them in chambers of different volume, and the entire cycle is carried out through the circulation of the fluid in a "circuit" represented by the four (or more) chambers.

8. Volendo riassumere il principio in maniera efficace, può dirsi che il fluido si muove di moto lineare armonico nelle configurazioni classiche Stirling (dalla camera di compressione a quella di espansione, da quella di espansione a quella di compressione e così di seguito), mentre nella presente configurazione si muovono di moto circolare uniforme (dalla prima camera alla seconda, poi alla terza, alla quarta, e di nuovo dalla quarta alla prima e così di seguito), attraversando ambienti (ossia le camere) posti a differente temperatura e caratterizzati da volumi non tutti uguali. Precisamente, i volumi sono diversi per corrispondere alla fase di espansione (in cui il volume del fluido tende a crescere) e a quella di compressione (in cui il volume del fluido tende a diminuire). 9. Perciò, il cuore della idea inventiva è quello di far circolare il fluido di lavoro, in sequenza, dalla prima camera di espansione, alla seconda, e poi alla prima e seconda camera di compressione, in modo che le variazioni di volume determinate dalle trasformazioni termodinamiche del ciclo di Stirling compiute non si traducano in un moto accelerato dei pistoni, difficilmente sincronizzabile, ma si accordino con i volumi delle camere in cui circola il fluido, corrispondenti alle variazioni di volume assunte dal gas durante il ciclo. Conseguentemente, la seconda camera di compressione avrà volume equivalente a quello della prima camera di espansione (perché il passaggio del fluido corrisponde alla fase del trasferimento isocoro); la prima camera di espansione avrà volume minore della seconda camera di espansione (perché il passaggio del fluido corrisponde alla fase della espansione isoterma); la seconda camera di espansione avrà volume equivalente a quello della prima camera di compressione (perché il passaggio del fluido corrisponde ad un trasferimento isocoro); la prima camera di compressione avrà volume maggiore della seconda camera di compressione (perché il passaggio del fluido corrisponde ad una compressione isoterma). In sintesi i volumi citati si relazionano nel seguente modo : 8. Wanting to summarize the principle effectively, it can be said that the fluid moves with harmonic linear motion in the classic Stirling configurations (from the compression chamber to the expansion chamber, from the expansion chamber to the compression chamber and so on), while in the present configuration they move with a uniform circular motion (from the first chamber to the second, then to the third, to the fourth, and again from the fourth to the first and so on), crossing environments (i.e. chambers) placed at different temperatures and characterized by volumes are not all the same. Precisely, the volumes are different to correspond to the expansion phase (in which the volume of the fluid tends to increase) and to the compression phase (in which the volume of the fluid tends to decrease). 9. Therefore, the heart of the inventive idea is to circulate the working fluid, in sequence, from the first expansion chamber, to the second, and then to the first and second compression chamber, so that the volume variations determined by the Thermodynamic transformations of the Stirling cycle carried out do not translate into an accelerated motion of the pistons, which is difficult to synchronize, but are in accord with the volumes of the chambers in which the fluid circulates, corresponding to the volume variations assumed by the gas during the cycle. Consequently, the second compression chamber will have a volume equivalent to that of the first expansion chamber (because the passage of the fluid corresponds to the isochoric transfer phase); the first expansion chamber will have a smaller volume than the second expansion chamber (because the passage of the fluid corresponds to the isothermal expansion phase); the second expansion chamber will have a volume equivalent to that of the first compression chamber (because the passage of the fluid corresponds to an isochorous transfer); the first compression chamber will have a greater volume than the second compression chamber (because the passage of the fluid corresponds to an isothermal compression). In summary, the volumes cited relate as follows:

Espi < Esp 2 = Comp 1 > Comp 2 = Esp 1 Espi <Exp 2 = Comp 1> Comp 2 = Exp 1

10. Così, il sistema si articola in almeno quattro camere, almeno due di espansione e almeno due di compressione, nelle quali i volumi sono differenziati ricalcando (in linea di principio) proprio i volumi raffigurati nelle rappresentazioni didattiche del ciclo Stirling (per tutti, si veda il testo Calore e Termodinamica, di M. Zemansky, pubblicato in Italia da Zanichelli, Bologna). Le rappresentazioni didattiche indicano il ciclo costituito da quattro trasformazioni, in cui il fluido occupa, in sequenza, mezzo volume caldo, un volume caldo, un volume freddo, mezzo volume freddo, per poi ricominciare il ciclo con mezzo volume caldo. Il risultato di questa schematizzazione grafica elementare si esprime nei diagrammi PV usualmente adoperati per dimostrare il rendimento teorico del ciclo. Quindi, come nelle schematizzazioni, la macchina proposta prevederà quattro camere, due di espansione e due di compressione, la prima di volume 1⁄2 X (mezzo volume caldo), la seconda di volume 1 (volume intero caldo), la terza di volume 1 (volume intero freddo) e la quarta di volume 1⁄2 X (mezzo volume freddo). E’ ovvio che la previsione di un rapporto 1 a 2 tra i volumi delle camere è frutto di una schematizzazione teorica, essendo ben possibili altri rapporti volumetrici, in funzione delle condizioni di funzionamento della macchina (temperatura e pressione). Il fluido circolerà, assorbendo calore nelle prime due camere e cedendo calore nelle altre due. La circolazione del fluido è assicurata dalla presenza di pistoni nelle camere, ciascuno sfasato di 180 gradi rispetto a quelli delle camere adiacenti nel compimento del ciclo (ossia quella precedente e quella successiva) in modo che quando un pistone sale spingendo il fluido quello immediatamente successivo scende facendo entrare il fluido, e così via per tutte e quattro le camere considerate. Questo avviene nella configurazione a pistoni alternativi; nella variante a pistoni rotativi la fasatura avviene , come è ovvio, diversamente. 10. Thus, the system is divided into at least four chambers, at least two for expansion and at least two for compression, in which the volumes are differentiated by tracing (in principle) precisely the volumes depicted in the didactic representations of the Stirling cycle (for all, see the text Heat and Thermodynamics, by M. Zemansky, published in Italy by Zanichelli, Bologna). The didactic representations indicate the cycle consisting of four transformations, in which the fluid occupies, in sequence, half a warm volume, a hot volume, a cold volume, a cold half volume, and then starts the cycle again with a warm half volume. The result of this elementary graphic schematization is expressed in the PV diagrams usually used to demonstrate the theoretical efficiency of the cycle. Therefore, as in the schematizations, the proposed machine will have four chambers, two for expansion and two for compression, the first of volume 1⁄2 X (hot half volume), the second of volume 1 (whole hot volume), the third of volume 1 (cold whole volume) and the fourth volume 1⁄2 X (cold half volume). It is obvious that the provision of a 1 to 2 ratio between the volumes of the chambers is the result of a theoretical schematization, other volumetric ratios being possible, depending on the operating conditions of the machine (temperature and pressure). The fluid will circulate, absorbing heat in the first two chambers and releasing heat in the other two. The circulation of the fluid is ensured by the presence of pistons in the chambers, each out of phase by 180 degrees with respect to those of the adjacent chambers in the completion of the cycle (i.e. the previous and the next) so that when a piston rises pushing the fluid the immediately following one descends letting in the fluid, and so on for all four chambers considered. This occurs in the alternative piston configuration; in the variant with rotary pistons, the timing takes place, as is obvious, differently.

11. Non sfuggirà all’osservatore che la macchina compie due cicli sovrapposti, contemporaneamente. Infatti, quando il fluido di lavoro si trova nella fase di compressione, simmetricamente, altra porzione di fluido sta già compiendo la fase di espansione. Questa caratteristica spiega come sia possibile - nello stesso momento - la coesistenza di due trasferimenti isocori, l’uno in un verso (dal lato caldo a quello freddo) e il secondo nell’altro verso (dal lato freddo a quello caldo). Ed è proprio per questa peculiarità che è utilizzabile uno scambiatore in luogo del classico rigeneratore, coi vantaggi di seguito descritti. 11. It will not escape the observer that the machine performs two overlapping cycles at the same time. In fact, when the working fluid is in the compression phase, symmetrically, another portion of fluid is already carrying out the expansion phase. This feature explains how it is possible - at the same time - to coexist two isochoric transfers, one in one direction (from the hot side to the cold side) and the second in the other direction (from the cold side to the hot side). And it is precisely for this peculiarity that an exchanger can be used in place of the classic regenerator, with the advantages described below.

GLI SCAMBIATORI THE EXCHANGERS

12. Nelle tradizionali macchine di Stirling si adopera un dispositivo, detto rigeneratore, per migliorare le prestazioni del sistema. Il rigeneratore è costituito da lana metallica, o da altro elemento dotato da elevata capacità di accumulo termico, che opera assorbendo calore dal fluido che passa dal lato caldo al lato freddo, per poi trattenere detto calore e cederlo nuovamente al fluido di lavoro quando questo viene spinto dal lato freddo verso il lato caldo. Nella macchina di cui alla presente invenzione , siccome il fluido di lavoro compie un percorso “circolare”, si ha che contemporaneamente una certa quantità di fluido raffreddato viene trasferito alla prima camera di espansione, mentre una altra quantità di fluido caldo viene trasferito alla prima camera di compressione. I due trasferimenti isocori menzionati avvengono in condotti separati, essendo ciò possibile proprio perché il fluido di lavoro segue un percorso circolare e non lineare (avanti/indietro). Pertanto, per queste due ragioni (contemporaneità dei trasferimenti isocori e circolarità del percorso del fluido) è possibile utilizzare uno scambiatore in luogo del classico rigeneratore. I vantaggi sono notevoli. Viene eliminata la necessità di accumulo termico, tipico del rigeneratore, perché la circolazione della porzione calda del fluido e di quella fredda avviene nello stesso istante e in direzioni opposte, condizioni ideali per raggiungere la massima efficienza dello scambiatore. Venendo meno il rigeneratore, non si hanno più perdite da attrito derivanti dal passaggio del fluido attraverso la lana metallica o comunque attraverso il materiale poroso. 12. Traditional Stirling machines use a device, called a regenerator, to improve the performance of the system. The regenerator consists of metal wool, or another element with a high thermal storage capacity, which works by absorbing heat from the fluid that passes from the hot side to the cold side, and then retains said heat and gives it back to the working fluid when this is pushed from the cold side to the warm side. In the machine according to the present invention, since the working fluid makes a "circular" path, a certain quantity of cooled fluid is simultaneously transferred to the first expansion chamber, while another quantity of hot fluid is transferred to the first chamber compression. The two isochoric transfers mentioned take place in separate ducts, this being possible precisely because the working fluid follows a circular and non-linear path (forward / backward). Therefore, for these two reasons (contemporaneity of isochoric transfers and circularity of the fluid path) it is possible to use an exchanger instead of the classic regenerator. The benefits are significant. The need for thermal accumulation, typical of the regenerator, is eliminated, because the circulation of the hot portion of the fluid and of the cold one occurs at the same time and in opposite directions, ideal conditions for reaching the maximum efficiency of the exchanger. Since the regenerator is no longer there, there are no more friction losses deriving from the passage of the fluid through the metal wool or in any case through the porous material.

13. Oltre allo scambiatore “principale” , operante nella fase dei trasferimenti isocori tra il fluido caldo e il fluido freddo, sono previsti degli scambiatori ausiliari nei condotti di collegamento tra la prima e la seconda camera di espansione e la prima e seconda camera di compressione. Il ruolo degli scambiatori ausiliari è quello di massimizzare l'efficienza del trasferimento di calore (quindi , in definitiva, dello scambio di calore con l’ambiente esterno) in corrispondenza delle trasformazioni isoterme, ossia, rispettivamente, della fase isoterma di espansione e della fase isoterma di compressione. Conseguentemente, quando il fluido , già riscaldato, passa dalla prima camera di espansione alla seconda camera di espansione, attraversa il condotto di collegamento, che funge anche da scambiatore con l’ambiente caldo esterno e, profittando significativamente delle turbolenze createsi, assorbe calore e spinge il pistone verso il basso, consentendo a quest’ultimo di estrarre lavoro meccanico dal ciclo. Simmetricamente, lo scambiatore ausiliario allocato tra la prima e la seconda camera di compressione, agevola la sottrazione di calore al fluido di lavoro, facilitando la fase di compressione. Viene così a compiersi il ciclo, che poi ricomincia col passaggio del fluido dalla seconda camera di compressione alla prima camera di espansione. 13. In addition to the "main" exchanger, operating in the isochoric transfer phase between the hot fluid and the cold fluid, auxiliary exchangers are provided in the connection ducts between the first and second expansion chambers and the first and second compression chambers . The role of the auxiliary exchangers is to maximize the efficiency of the heat transfer (therefore, ultimately, of the heat exchange with the external environment) in correspondence with the isothermal transformations, i.e., respectively, of the isothermal expansion phase and of the compression isotherm. Consequently, when the fluid, already heated, passes from the first expansion chamber to the second expansion chamber, it passes through the connection duct, which also acts as an exchanger with the external hot environment and, significantly taking advantage of the turbulence created, absorbs heat and pushes the piston down, allowing the latter to extract mechanical work from the cycle. Symmetrically, the auxiliary exchanger located between the first and second compression chamber facilitates the removal of heat from the working fluid, facilitating the compression phase. The cycle is thus completed, which then begins again with the passage of the fluid from the second compression chamber to the first expansion chamber.

14. La presenza di scambiatori ausiliari, che fungono altresì da collegamento tra la prima e seconda camera di espansione nonché tra la prima e seconda camera di compressione, risulta di notevole vantaggio. Tali scambiatori, infatti, contribuiscono a generare delle turbolenze nel moto del fluido di lavoro. Il moto turbolento consente un sensibile miglioramento nel trasferimento di calore daN’ambiente esterno al detto fluido di lavoro. Il tutto con buon miglioramento delle prestazioni del sistema, anche in termini di potenza ricavabile, per la maggiore cilindrata utilizzabile. 14. The presence of auxiliary exchangers, which also act as a connection between the first and second expansion chambers as well as between the first and second compression chambers, is of considerable advantage. These exchangers, in fact, help to generate turbulence in the motion of the working fluid. The turbulent motion allows a significant improvement in the transfer of heat from the external environment to the said working fluid. All this with a good improvement in system performance, also in terms of obtainable power, due to the greater usable displacement.

LE VALVOLE (variante a pistoni alternativi) VALVES (alternative piston variant)

15. Per permettere la circolazione del fluido secondo quanto programmato, sono previste delle valvole, poste su ciascuna camera, allo scopo di regolare il flusso del fluido di lavoro. Precisamente, ogni camere prevede due valvole, una di aspirazione (o carico) e una di espulsione (o scarico) . In ciascuna camera, la valvola di carico si aprirà in corrispondenza della fase di discesa del pistone, e si chiuderà in corrispondenza della fase di risalita (spinta) del medesimo pistone. All’inverso, e simmetricamente, la valvola di scarico resterà chiusa durante la fase di discesa del pistone e si aprirà durante la fase di risalita. Tale sincronismo consente al fluido di lavoro di passare da una camera all’altra, in corrispondenza del movimento dei pistoni. Le valvole possono essere comandate da comuni alberi a camme, opportunamente progettati e realizzati, in maniera da tenere chiusa la valvola in corrispondenza di un mezzo giro dell’albero motore, e da tenere aperta la valvola in corrispondenza dell’altro mezzo giro. Nella variante a pistoni rotativi non ci sono valvole propriamente dette, bensì luci di carico e di scarico, la cui apertura e chiusura è determinata dal moto dei rotori (pistoni rotativi) all’interno degli statori. 15. To allow the fluid to circulate as programmed, valves are provided, placed on each chamber, in order to regulate the flow of the working fluid. Precisely, each chamber has two valves, one for the intake (or load) and one for the expulsion (or exhaust). In each chamber, the filling valve will open in correspondence with the downward phase of the piston, and will close in correspondence with the rising (thrust) phase of the same piston. Conversely, and symmetrically, the exhaust valve will remain closed during the descent phase of the piston and will open during the ascent phase. This synchronism allows the working fluid to pass from one chamber to another, in correspondence with the movement of the pistons. The valves can be controlled by common camshafts, suitably designed and manufactured, in order to keep the valve closed at one half turn of the crankshaft, and to keep the valve open at the other half turn. In the rotary piston variant there are no valves properly so called, but loading and unloading ports, whose opening and closing is determined by the motion of the rotors (rotary pistons) inside the stators.

16. In una macchina alternativa a doppio effetto, il sistema di distribuzione a valvole potrà essere mutuato da quelli in uso, ad esempio, nelle macchine alternative a vapore (valvole a cassetto o equivalenti). 16. In an alternative double-acting machine, the valve distribution system may be borrowed from those used, for example, in alternative steam machines (slide valves or equivalent).

IL SINCRONISMO (variante a pistoni alternativi) SYNCHRONISM (alternative piston variant)

17. Il sistema di valvole ed i movimenti dei pistoni sono evidentemente sincronizzati per determinare la circolazione del fluido di lavoro da una camera all’altra. Particolare importanza ha la fasatura dei pistoni. Essi devono essere collocati in maniera tale da ognuno si trovi in opposizione di fase con quello della camera immediatamente antecedente nel senso di circolazione del fluido, e, del pari, deve trovarsi in opposizione di fase con quello della camera immediatamente successiva nel verso di circolazione del fluido. Perciò, quando una qualsiasi camera sta espellendo fluido, e quindi il pistone è evidentemente in fase ascensionale, correndo fino al PMS (punto morto superiore), la camera immediatamente successiva ha il pistone in fase discensionale, che corre verso il PMI (punto morto inferiore) e, in definitiva, aspira il fluido proveniente dalla spinta dall’altra camera. Simmetricamente, quando invece una camera aspira fluido, il pistone della camera immediatamente antecedente, essendo in opposizione di fase, ve lo spinge all'interno. Il trasferimento dei fluidi avviene in forza dell’apertura e chiusura delle valvole, opportunamente comandate, come spiegato nel paragrafo precedente e come illustrato nella tavola sottostante. La schematizzazione del funzionamento della macchina è alquanto semplice: 17. The valve system and the movements of the pistons are obviously synchronized to determine the circulation of the working fluid from one chamber to another. Of particular importance is the timing of the pistons. They must be placed in such a way that each is in phase opposition with that of the immediately preceding chamber in the direction of circulation of the fluid, and, likewise, must be in phase opposition with that of the immediately following chamber in the direction of circulation of the fluid. fluid. Therefore, when any chamber is expelling fluid, and therefore the piston is evidently in the upward phase, running up to the TDC (top dead center), the immediately following chamber has the piston in the descending phase, which runs towards the BDC (bottom dead center). ) and ultimately sucks in the fluid coming from the thrust from the other chamber. On the other hand, when a chamber sucks in fluid, the piston of the immediately preceding chamber, being in phase opposition, pushes it inside. The transfer of fluids occurs by virtue of the opening and closing of the valves, properly controlled, as explained in the previous paragraph and as illustrated in the table below. The schematic of the operation of the machine is quite simple:

Tavola di funzionamento (Variante a pistoni alternativi) Operating table (Alternative piston variant)

DESCRIZIONE DETTAGLIATA/MIGLIOR MODO DI ATTUARE L’INVENZIONE DETAILED DESCRIPTION / BEST WAY OF IMPLEMENTING THE INVENTION

18. La variante costruttiva più semplice è quella a pistoni alternativi e valvole comandate. La macchina può essere descritta, nella sua configurazione elementare, come un sistema a quattro camere, costituita dai seguenti componenti: a) una prima camera di espansione; b) una seconda camera di espansione; c) una prima camera di compressione; d) una seconda camera di compressione; e) quattro pistoni che scorrono in ognuna delle quattro camere e che trasmettono il moto ad un albero motore comune per tutte le quattro camere; f) sistema di valvole, poste su ciascuna camera, comandate da albero a camme, anche se sono possibili altre soluzioni; g) sistema di scambiatori di calore; 18. The simplest construction variant is that with reciprocating pistons and controlled valves. The machine can be described, in its elementary configuration, as a four-chamber system, consisting of the following components: a) a first expansion chamber; b) a second expansion chamber; c) a first compression chamber; d) a second compression chamber; e) four pistons which slide in each of the four chambers and transmit motion to a common drive shaft for all four chambers; f) system of valves, placed on each chamber, controlled by a camshaft, even if other solutions are possible; g) heat exchanger system;

19.11 sistema di valvole consente al fluido di lavoro di circolare nelle quattro camere, in maniera sequenziale, e precisamente nella prima camera di espansione, poi nella seconda camera di espansione, quindi, passando attraverso lo scambiatore ausiliario, nella prima camera di compressione e poi nella seconda camera di compressione, per poi ritornare, ancora passando attraverso lo scambiatore ausiliario, alla prima camera di espansione. Ciascuna camera è munita, pertanto, di due valvole del tipo on/off, ovvero soltanto aperte o soltanto chiuse, di cui la prima è una valvola di aspirazione, in quanto si apre nel momento in cui il fluido di lavoro viene spinto - dal pistone della camera precedente - all’interno, fintanto che la corsa del pistone non è giunta alla fine. Poi, la valvola di aspirazione si chiude e, contemporaneamente all’inversione della corsa del pistone che comincia a salire, si apre l’altra valvola, di espulsione, per consentire al fluido di lavoro di uscire dalla camera, spinto dal pistone, e di continuare il proprio percorso entrando nella camera successiva. 19.11 valve system allows the working fluid to circulate in the four chambers, sequentially, and precisely in the first expansion chamber, then in the second expansion chamber, then, passing through the auxiliary exchanger, in the first compression chamber and then in the second compression chamber, to then return, again passing through the auxiliary exchanger, to the first expansion chamber. Each chamber is therefore equipped with two on / off valves, i.e. only open or only closed, of which the first is a suction valve, as it opens when the working fluid is pushed - by the piston of the previous chamber - inside, until the piston stroke has come to an end. Then, the intake valve closes and, simultaneously with the inversion of the piston stroke which begins to rise, the other expulsion valve opens to allow the working fluid to exit the chamber, pushed by the piston, and to continue your journey by entering the next room.

20.1 pistoni sono opportunamente sfasati tra loro in maniera tale che, quando scende uno di essi, salgono quelli relativi alle camere adiacenti, definendo come adiacenti ad una camera le altre due camere attraversate precedentemente e successivamente nella circolazione. In questo modo, l’azione combinata dei pistoni e delle valvole permette al fluido di lavoro di attraversare le quattro camere, in sequenza, compiendo le trasformazioni termodinamiche richieste dal ciclo di Stirling. Ciò può avvenire in quanto le camere di espansione sono poste a contatto con una sorgente di calore, mentre le camere di compressione sono allocate a contatto con una sorgente fredda. 20.1 pistons are suitably out of phase with each other in such a way that, when one of them descends, those relative to the adjacent chambers rise, defining the other two chambers crossed previously and subsequently in circulation as adjacent to a chamber. In this way, the combined action of the pistons and valves allows the working fluid to pass through the four chambers, in sequence, making the thermodynamic transformations required by the Stirling cycle. This can happen because the expansion chambers are placed in contact with a heat source, while the compression chambers are located in contact with a cold source.

21 . L’esatto compimento del ciclo di Stirling è determinato dalla presenza del sistema di scambiatori. Quando il fluido di lavoro, raffreddato, si trova nella seconda camera di compressione e ha terminato il ciclo, viene spinto attraverso lo scambiatore e si preriscalda prima di entrare nella prima camera di espansione. 21. The exact completion of the Stirling cycle is determined by the presence of the heat exchanger system. When the cooled working fluid is in the second compression chamber and has finished the cycle, it is pushed through the exchanger and preheats before entering the first expansion chamber.

22. A questo punto, si focalizzerà l’attenzione sulle trasformazioni indotte dal sistema al fluido di lavoro, per comprendere come l’energia termica viene trasformata in energia meccanica. 22. At this point, attention will be focused on the transformations induced by the system to the working fluid, to understand how thermal energy is transformed into mechanical energy.

23. In questa camera il fluido di lavoro comincia a subire le trasformazioni termodinamiche del ciclo di Stirling. A contatto con il calore delle pareti della camera il fluido aumenta la propria pressione, con tendenza, pertanto, a aumentare anche la propria temperatura. Tuttavia, l’espansione del fluido può avvenire a temperatura costante perché il fluido di lavoro viene trasferito, con un trasferimento isocoro non rigenerativo, alla seconda camera di espansione, di maggior volume rispetto alla precedente. L’aumento di pressione dovuto al riscaldamento quindi si traduce in lavoro meccanico attraverso il movimento del pistone. 23. In this chamber the working fluid begins to undergo the thermodynamic transformations of the Stirling cycle. In contact with the heat of the chamber walls, the fluid increases its pressure, with a tendency, therefore, to increase its temperature as well. However, the expansion of the fluid can occur at a constant temperature because the working fluid is transferred, with a non-regenerative isochoric transfer, to the second expansion chamber, which is larger than the previous one. The increase in pressure due to heating therefore translates into mechanical work through the movement of the piston.

24. Dalla seconda camera di espansione, il fluido passa per lo scambiatore e viene trasferito alla prima camera di compressione, di volume equivalente alla seconda camera di espansione, per rispettare i dettami del ciclo Stirling che prevede, come terza fase, un trasferimento isocoro rigenerativo ; difatti nel passaggio nello scambiatore il fluido cede calore (al fluido che contemporaneamente sta passando dalla seconda camera di compressione alla prima camera di espansione). 24. From the second expansion chamber, the fluid passes through the exchanger and is transferred to the first compression chamber, with a volume equivalent to the second expansion chamber, to comply with the dictates of the Stirling cycle which provides, as a third phase, a regenerative isochore transfer ; in fact, when passing through the exchanger, the fluid transfers heat (to the fluid which is simultaneously passing from the second compression chamber to the first expansion chamber).

25. Infine, segue la fase di compressione e il successivo ritrasferimento del fluido al lato caldo. 25. Finally, the compression phase follows and the subsequent transfer of the fluid back to the hot side.

26. Rifacendosi al migliore stato della tecnica, è possibile realizzare anche una variante della macchina a doppio effetto, con pistoni alternativi. In particolare, è possibile richiamarsi agli esempi di macchine alternative a doppio effetto prodotte nel campo delle macchine a vapore, che adottano, tra le varie soluzioni possibili, il sistema di distribuzione delle valvole a cassetto. 26. Referring to the best state of the art, it is also possible to realize a variant of the double-acting machine, with alternative pistons. In particular, it is possible to refer to the examples of alternative double-acting machines produced in the field of steam machines, which adopt, among the various possible solutions, the slide valve distribution system.

VARIANTI REALIZZATIVE: LA VARIANTE A PISTONI ROTATIVI REALIZATION VARIANTS: THE ROTARY PISTON VARIANT

27. Atteso che il cardine della presente invenzione è quello di fissare un meccanismo di flusso del fluido di lavoro di tipo circolare (camera 1 /camera 2/camera 3/camera 4/ camera 1) e non già alternativo (camera 1 /camera 2 e viceversa) avremo che, in luogo dei pistoni alternativi, collegati ad un manovellismo classico biella / manovella, potranno utilizzarsi pistoni rotativi, non dissimili a quelli utilizzati, secondo la migliore tecnica, nelle macchine volumetriche operatrici (compressori e depressori, pompe e equivalenti). Nelle macchine rotative si ha che la geometria reciproca di rotore (o rotori, nelle macchine a più assi) e statore, con l’ausilio eventuale di altri dispositivi (es. palette, nei compressori a paletta) comporta che il volume di fluido introdotto nella luce di aspirazione viene progressivamente compresso per essere espulso dalla luce di mandata (ovvero di scarico). Simmetricamente, con la medesima geometria, nei c.d. depressori le celle deputate ad accogliere il fluido subiscono una variazione volumetrica inversa, espandendosi progressivamente. Il rapporto di compressione ovvero quello di espansione può essere programmato a monte con una adeguata progettazione della geometria dei componenti. 27. Given that the hinge of the present invention is to fix a flow mechanism of the working fluid of the circular type (chamber 1 / chamber 2 / chamber 3 / chamber 4 / chamber 1) and not already alternative (chamber 1 / chamber 2 and vice versa) we will have that, in place of the reciprocating pistons, connected to a classic connecting rod / crank crank, it will be possible to use rotary pistons, not dissimilar to those used, according to the best technique, in the volumetric operating machines (compressors and depressors, pumps and equivalents) . In rotary machines, the reciprocal geometry of rotor (or rotors, in multi-axis machines) and stator, with the possible help of other devices (e.g. vanes, in vane compressors) means that the volume of fluid introduced into the intake port is progressively compressed to be expelled from the delivery (i.e. exhaust) port. Symmetrically, with the same geometry, in the so-called depressors the cells used to receive the fluid undergo an inverse volumetric variation, progressively expanding. The compression ratio or the expansion ratio can be programmed upstream with an adequate design of the geometry of the components.

28. Ciò premesso, si può osservare che, utilizzando un dispositivo progettato come espansore, si verifica proprio quanto richiesto dal ciclo di Stirling: il fluido fa ingresso nella cella inizialmente a basso volume e si espande; la tendenza ad abbassare la temperatura viene contrastata daN’assorbimento di calore per cui il fluido continua l’espansione (isoterma) spingendo il rotore nel senso di rotazione, in maniera non dissimile da quanto avviene in presenza di un pistone alternativo. Alla fine della rotazione il volume della cella è cresciuto, come sarebbe avvenuto trattandosi di un pistone alternativo, e perciò il fluido ha compiuto lavoro a temperatura costante (trasformazione isoterma); il fluido caldo viene espulso, transita attraverso lo scambiatore e finisce nel pistone rotativo di compressione, in cui avviene esattamente l’inverso. La cella inizialmente ha un volume prossimo a quello che aveva il fluido prima dell’espulsione (trasferimento isocoro) per poi ridursi e comprimersi progressivamente. Il fluido cede calore contestualmente, per cui la compressione avviene , tendenzialmente , a temperatura costante (trasformazione isoterma). Di qui, attraverso lo scambiatore, il fluido ritorna nella cella di espansione che ha un volume prossimo alla cella di compressione all’ultimo stadio (trasferimento isocoro). 28. Having said this, it can be observed that, by using a device designed as an expander, exactly what is required by the Stirling cycle occurs: the fluid enters the cell initially at a low volume and expands; the tendency to lower the temperature is counteracted by the absorption of heat so that the fluid continues to expand (isotherm) by pushing the rotor in the direction of rotation, not unlike what happens in the presence of an alternative piston. At the end of the rotation, the volume of the cell has grown, as would have happened if it was an alternative piston, and therefore the fluid has performed work at a constant temperature (isothermal transformation); the hot fluid is expelled, passes through the exchanger and ends up in the rotary compression piston, where exactly the reverse occurs. The cell initially has a volume close to what the fluid had before expulsion (isochoric transfer) and then gradually shrinks and compresses. The fluid releases heat at the same time, so compression tends to occur at a constant temperature (isothermal transformation). From here, through the exchanger, the fluid returns to the expansion cell which has a volume close to the compression cell at the last stage (isochoric transfer).

29.11 ciclo di Stirling (due isoterme e due isocore rigenerative) può essere realizzato anche con altre macchine rotative, diverse da quelle con celle con volume variabile nella stessa rotazione, macchine in cui al contrario il volume in ingresso ed il volume in uscita sono prossimi (c.d. compressori “soffianti”). Infatti, similmente alla configurazione descritta a quattro camere a pistoni alternativi, ciascuna camera deputata ad una specifica fase del ciclo, può aversi una configurazione a quattro camere rotative (esempio, rotori a lobi tipo Root o simili) in cui vengono comunque riprodotte le trasformazioni termodinamiche del diagramma tipo PV riferito al ciclo Stirling, ed essendo il lavoro meccanico (nella fase di espansione) raccolto dal pistone rotativo. E’ opportuno precisare che, nella configurazione a pistoni rotativi, le quattro camere possono essere osservate da un punto di vista “dinamico”, in quanto i quattro valori termico/volumetrici che assume il fluido di lavoro sono determinati dal movimento e dalla geometria dei rotori all’interno delle cavità in cui operano: si tratta, per così dire, di camere “mobili”, ma ciò non è influente ai fini del compimento del ciclo Stirling. 29.11 Stirling cycle (two isotherms and two regenerative isochores) can also be performed with other rotary machines, other than those with cells with variable volume in the same rotation, machines in which, on the contrary, the inlet and outlet volumes are close ( so-called "blower" compressors). In fact, similar to the configuration described with four alternative piston chambers, each chamber assigned to a specific phase of the cycle, there can be a configuration with four rotary chambers (for example, Root-type lobe rotors or the like) in which the thermodynamic transformations are in any case reproduced. of the PV type diagram referring to the Stirling cycle, and being the mechanical work (in the expansion phase) collected by the rotary piston. It should be noted that, in the rotary piston configuration, the four chambers can be observed from a "dynamic" point of view, as the four thermal / volumetric values assumed by the working fluid are determined by the movement and geometry of the rotors inside the cavities in which they operate: they are, so to speak, “mobile” chambers, but this is not influential for the purpose of completing the Stirling cycle.

30. Evidentemente, in tutte le configurazioni a pistoni rotativi, i pistoni - di espansione e di compressione - sono connessi e solidali nella rotazione. Nella configurazione a pistoni rotativi non vi sono valvole comandate, bensì luci di carico e di scarico che si aprono e chiudono in funzione del movimento e della geometria del rotore (o dei rotori, nelle macchine rotative a più assi). Qui il sincronismo viene programmato dal posizionamento relativo dei rotori di compressione e di espansione. E’ evidente che i gruppi statore rotori sono realizzati con materiali adeguati alle esigenze di trasferimento termico. 30. Evidently, in all rotary piston configurations, the pistons - expansion and compression - are connected and integral in rotation. In the rotary piston configuration there are no controlled valves, but loading and unloading ports that open and close according to the movement and geometry of the rotor (or rotors, in multi-axis rotary machines). Here the synchronism is programmed by the relative positioning of the compression and expansion rotors. It is clear that the stator rotor groups are made with materials suitable for thermal transfer needs.

31 . Interessante esempio applicativo della macchina, nella configurazione a pistoni rotativi, può essere fatto con l’utilizzo di rotori molto simili ai c.d. Wankel, utilizzati con un certo successo nei motori a c.i. Come può evincersi dal disegno numero . con l’utilizzo di due coppie statore/rotore tipo Wankel può ottenersi nella pratica la sequenza delle trasformazioni termodinamiche tipiche del ciclo di Stirling. Precisamente, una coppia statore/rotore Wankel, con le luci di carico e di scarico opportunamente riprogettate e riposizionate, può effettuare , in contemporanea, due cicli in opposizione di fase di aspirazione e scarico. Il moto del rotore a tre lobi forma contemporaneamente due camere di aspirazione, dove l’aspirazione è ovviamente consentita da due diverse luci di carico, e successivamente il fluido viene espulso attraverso due diverse luci di scarico, sempre a causa del moto del rotore a tre lobi. Prevedendo due coppie statore/rotore, caldi e freddi, si riesce a realizzare il ciclo già descritto in precedenza nella variante a pistoni alternativi. Evidentemente, in alternativa al rotore a tre lobi ed allo statore Wankel, sono possibili anche diverse realizzazioni di coppie statore/rotore, in grado di compiere ciclicamente le fasi di aspirazione/scarico, facendo circolare il fluido negli ambienti caldo e freddo e viceversa. 31. An interesting application example of the machine, in the rotary piston configuration, can be done with the use of rotors very similar to the so-called Wankel, used with some success in AC motors. As can be seen from the drawing number. with the use of two Wankel-type stator / rotor pairs, the sequence of thermodynamic transformations typical of the Stirling cycle can be obtained in practice. Precisely, a Wankel stator / rotor pair, with the loading and unloading ports suitably redesigned and repositioned, can simultaneously carry out two opposite cycles of the intake and exhaust phases. The motion of the three-lobed rotor simultaneously forms two intake chambers, where the intake is obviously allowed by two different loading ports, and subsequently the fluid is expelled through two different exhaust ports, again due to the motion of the three-lobed rotor. lobes. By providing two stator / rotor pairs, hot and cold, it is possible to carry out the cycle already described previously in the alternative piston variant. Obviously, as an alternative to the three-lobe rotor and the Wankel stator, various realizations of stator / rotor pairs are also possible, capable of cyclically carrying out the suction / discharge phases, circulating the fluid in hot and cold environments and vice versa.

VARIANTI REALIZZATIVE: IL MULTISTADIO MANUFACTURING VARIATIONS: THE MULTI-STAGE

32. Configurazione “multistadio”: Nel ciclo Stirling l’isoterma superiore è caratterizzata da una pressione P che diminuisce aN’aumentare del volume V. In una configurazione “multistadio” i vari cilindri vanno ad intercettare parti di questa isoterma: ad esempio se dal lato caldo i cilindri sono 4, l’isoterma si suddividerà in tre parti (il primo cilindro è dedicato al trasferimento isocoro). I vari pistoni, del lato di espansione, eserciteranno la stessa forza su biella -manovella in quanto la diminuzione della pressione viene compensata daN’aumento di volume (ovvero a parità di altezza dei cilindri, l’area di base aumenta). Simmetricamente sul lato di compressione si opera la stessa moltiplicazione dei cilindri. Poi, nel caso in cui ci sono fonti di calore a varie temperature, c’è anche la possibilità di abbinare le diverse temperature ai vari cilindri ottenendo il ciclo totale come combinazione di più cicli di S. Un vantaggio della configurazione “multistadio” è che aumenta la superficie utile per gli scambi termici con la fonte calda e con la fonte fredda e ciò consente di realizzare macchine di potenze maggiori. 32. "Multistage" configuration: In the Stirling cycle the upper isotherm is characterized by a pressure P which decreases as the volume V increases. In a "multistage" configuration the various cylinders intercept parts of this isotherm: for example if from on the hot side there are 4 cylinders, the isotherm will be divided into three parts (the first cylinder is dedicated to isochoric transfer). The various pistons, on the expansion side, will exert the same force on the connecting rod-crank as the decrease in pressure is compensated by the increase in volume (i.e. with the same height of the cylinders, the base area increases). The same multiplication of the cylinders is performed symmetrically on the compression side. Then, in the event that there are sources of heat at various temperatures, there is also the possibility of combining the different temperatures to the various cylinders, obtaining the total cycle as a combination of several S cycles. An advantage of the "multistage" configuration is that it increases the useful surface for heat exchanges with the hot source and with the cold source and this allows machines of greater power to be created.

IL CICLO INVERSO REFRIGERATORE THE REVERSE COOLER CYCLE

33. Dalla teoria già citata è spiegato perché il ciclo di S. è un ciclo reversibile; consegue che se si somministra energia meccanica e si fa percorrere il ciclo in senso inverso, il lato dove si verificavano le espansioni, ora è caratterizzato da compressioni e viceversa. Il risultato è che si trasferisce calore dal serbatoio più freddo a quello più caldo. Costruttivamente la macchina è quella esposta in precedenza, i campi di applicazione sono il condizionamento ambientale e la criogenerazione. 33. From the aforementioned theory it is explained why the cycle of S. is a reversible cycle; it follows that if mechanical energy is administered and the cycle is run in the opposite direction, the side where the expansions occurred is now characterized by compressions and vice versa. The result is that heat is transferred from the colder tank to the warmer one. Constructively, the machine is the one shown above, the fields of application are environmental conditioning and cryogeneration.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

34. DISEGNO 1 - Questo può essere assunto come schema generale di motore. 1 è il lato espansione comprendente le due camere di espansione 4; 2 è il lato compressione comprendente le due camere di compressione 3; 5 è lo scambiatore (principale). Riferendosi al ciclo di Stirling nel piano PV (pressione volume), occorre seguire il percorso del fluido; si parte dal suo passaggio dalla camera maggiore alla minore 3 (isoterma inferiore); il passo successivo è il transito per lo scambiatore 5 dove il fluido assorbe calore per poi trasferirsi nella minore delle due camere di espansione 4 (trasferimento isocoro dal freddo al caldo); segue il passaggio dalla camera minore alla camera maggiore di espansione 4 (isoterma superiore); infine c’è il transito per lo scambiatore 5 dove il fluido cede calore per poi trasferirsi nella maggiore delle due camere di compressione 3 (trasferimento isocoro dal caldo al freddo) e così via. 34. DRAWING 1 - This can be taken as a general engine diagram. 1 is the expansion side comprising the two expansion chambers 4; 2 is the compression side comprising the two compression chambers 3; 5 is the (main) exchanger. Referring to the Stirling cycle in the PV plane (pressure volume), it is necessary to follow the path of the fluid; it starts from its passage from the major chamber to the minor 3 (lower isotherm); the next step is the transit through the exchanger 5 where the fluid absorbs heat and then moves into the smaller of the two expansion chambers 4 (isochoric transfer from cold to hot); the passage from the minor chamber to the major expansion chamber 4 (upper isotherm) follows; finally there is the transit for the exchanger 5 where the fluid releases heat and then moves into the larger of the two compression chambers 3 (isochoric transfer from hot to cold) and so on.

35. DISEGNO 2 - Lo schema descritto nel disegno precedente viene attuato da ordinarie coppie cilindro pistone 10, 11 , 12, 13 munite di coppie di valvole on-off 14. Le fasi sono indicate con 6, 7, 8, 9; i passaggi di fluido da un cilindro all’altro sono rappresentate da frecce in linea continua 15 nel caso di primo ciclo di Stirling e da frecce con linee discontinue 16 nel caso di secondo ciclo (in opposizione di fase col primo); la freccia coincide anche con lo scambiatore che sarà principale nei passaggi da 10 a 13 e da 12 ad 11 e d ausiliario nei passaggi da 13 a 12 e da 11 a 10. 17, linea continua, indica la posizione del pistone alla fine della fase considerata. 35. DRAWING 2 - The diagram described in the previous drawing is implemented by ordinary cylinder-piston pairs 10, 11, 12, 13 equipped with pairs of on-off valves 14. The phases are indicated with 6, 7, 8, 9; the fluid passages from one cylinder to the other are represented by arrows in a continuous line 15 in the case of the first Stirling cycle and by arrows with discontinuous lines 16 in the case of the second cycle (in phase opposition with the first); the arrow also coincides with the exchanger which will be main in passages from 10 to 13 and from 12 to 11 and auxiliary d in passages from 13 to 12 and from 11 to 10. 17, solid line, indicates the position of the piston at the end of the phase considered .

36. DISEGNO 3 - Dal disegno precedente, di cui 18 è una riproduzione parziale, viene ingrandito il dettaglio relativo allo scambiatore ausiliario 19. In particolare si evidenzia rimbocco circolare sulle valvole 20 che man mano si schiaccia assumendo una sezione ellittica per avere un miglior rapporto di trasmissione termica con l’esterno; sono indicate solo un paio di alette di raffreddamento/riscaldamento 21 , alette che contribuiscono allo scambio termico; infine, passando da un estremo all’altro dello scambiatore ausiliario, l’asse maggiore della sezione ellittica ruota di 90° (nel piano perpendicolare all’asse del tubo che raccorda i due imbocchi 20) per creare ad arte le turbolenze nel fluido di lavoro. 36. DRAWING 3 - From the previous drawing, of which 18 is a partial reproduction, the detail relating to the auxiliary exchanger 19 is enlarged. of thermal transmission with the outside; only a pair of cooling / heating fins 21 are indicated, fins which contribute to the heat exchange; finally, passing from one end of the auxiliary exchanger to the other, the major axis of the elliptical section rotates by 90 ° (in the plane perpendicular to the axis of the tube that connects the two inlets 20) to create the turbulence in the working fluid artfully .

37. DISEGNO 4 -Sono rappresentati due modalità per realizzare lo schema generale riportato dal disegno 1 : coppie ordinarie di pompe volumetriche rotanti con paletta statorica di diverse dimensioni 22, 23; in alternativa, singola pompa volumetrica rotante con paletta rotorica e profilo statorico speciale 33. 37. DRAWING 4 -Two ways of realizing the general diagram shown in drawing 1 are shown: ordinary pairs of rotating volumetric pumps with stator vane of different sizes 22, 23; alternatively, single rotary volumetric pump with rotor vane and special stator profile 33.

Nelle pompe 22, 23 gli elementi costitutivi sono: 24 rotore, 25 statore, 26 asse di rotazione, 27 paletta con molla 28, 29 e 31 luce di carico, 30 e 32 luce di scarico; qui non occorrono valvole: la coppia 22, 23 funziona da espansore se l’ingresso è 31 e la luce di scarico 32 viene collegata, tramite scambiatore ausiliario, alla alla luce di carico 29, avendo poi 30 come uscita definitiva; la coppia 22, 23 funziona da compressore se l’ingresso è 29 e la luce di scarico 30 viene collegata, tramite scambiatore ausiliario, alla alla luce di carico 31 , avendo poi 32 come uscita definitiva. Si evince che la macchina completa sarà composta da una coppia 22, 23 nella configurazione espansore unita ad un’altra coppia 22, 23 nella configurazione compressore avendo collegato, tramite scambiatore principale, la luce di scarico 30 dell’espansore con la luce di carico 29 del compressore e la luce di scarico 32 del compressore con la luce di carico 31 dell’espansore. E’ appena il caso di specificare che queste quattro pompe volumetriche a paletta statorica avranno tutte lo stesso asse di rotazione su cui sarà disponibile l’energia meccanica generata. In the pumps 22, 23 the constituent elements are: 24 rotor, 25 stator, 26 rotation axis, 27 blade with spring 28, 29 and 31 loading port, 30 and 32 unloading port; here no valves are needed: the pair 22, 23 works as an expander if the inlet is 31 and the exhaust port 32 is connected, via an auxiliary exchanger, to the loading port 29, then having 30 as the final output; the pair 22, 23 works as a compressor if the input is 29 and the discharge port 30 is connected, via an auxiliary exchanger, to the loading port 31, then having 32 as the final output. It can be seen that the complete machine will consist of a pair 22, 23 in the expander configuration combined with another pair 22, 23 in the compressor configuration having connected, by means of the main exchanger, the exhaust port 30 of the expander with the loading port 29 of the compressor and the compressor discharge port 32 with the expander loading port 31. It is hardly necessary to specify that these four volumetric stator vane pumps will all have the same axis of rotation on which the mechanical energy generated will be available.

La pompa 33 da sola già costituisce una macchina completa che, come la precedente, non usa valvole ed in più non usa scambiatori ausiliari. I suoi elementi costitutivi sono: 34 statore, 35 rotore, 36 palette con molle, 37 e 41 luce di scarico, 38 e 40 luce di carico, 39 scambiatore (principale); il profilo statorico 34 è modellato in modo tale che, durante la rotazione, si abbia da un lato un’espansione progressiva e dall’altro una compressione progressiva. Essendo il lato sinistro (espansione) a contatto con la sorgente calda ed il lato destro (compressione) a contatto con la sorgente fredda, costruttivamente bisognerà fare attenzione ai ponti termici. The pump 33 by itself already constitutes a complete machine which, like the previous one, does not use valves and moreover does not use auxiliary exchangers. Its constituent elements are: 34 stator, 35 rotor, 36 vanes with springs, 37 and 41 exhaust port, 38 and 40 loading port, 39 exchanger (main); the stator profile 34 is modeled in such a way that, during rotation, there is a progressive expansion on the one hand and progressive compression on the other. Since the left side (expansion) in contact with the hot source and the right side (compression) in contact with the cold source, constructively it will be necessary to pay attention to thermal bridges.

38. DISEGNO 5 - La macchina oggetto di quest’invenzione può essere realizzata anche utilizzando il motore Wankel 42 opportunamente modificato. 38. DRAWING 5 - The machine object of this invention can also be made using the suitably modified Wankel 42 engine.

43 è lo statore su cui sono state ricavate le due luci di carico 45, 47, le due luci di scarico 46, 48 e da cui sono state eliminate le camere da scoppio; poi: 44 è il classico rotore Wankel; 42, 49, 80, 51 sono le sequenze relative alla funzione di aspirazione della metà destra del Wankel modificato; 51 , 52, 53, 54 sono le sequenze relative alla funzione di espulsione della metà destra del Wankel modificato; simmetricamente si comporterà la metà sinistra. 43 is the stator on which the two loading ports 45, 47, the two exhaust ports 46, 48 have been obtained and from which the combustion chambers have been eliminated; then: 44 is the classic Wankel rotor; 42, 49, 80, 51 are the sequences relating to the suction function of the right half of the modified Wankel; 51, 52, 53, 54 are the sequences relating to the expulsion function of the right half of the modified Wankel; symmetrically the left half will behave.

Da quanto visto nel disegno precedente, è automatico assemblare una coppia (piccolo e grande) di questi Wankel, per la funzione di espansione ed un’altra coppia per la funzione compressione (sulla falsa riga delle pompe con paletta statorica illustrate nel disegno 4) per poi proseguire nel completamento della macchina. In questo caso c’è da dire che si ottiene una macchina doppia, visto che su ognuno di questi Wankel si raddoppia tutto con il lato sinistro. From what has been seen in the previous drawing, it is automatic to assemble a pair (small and large) of these Wankels, for the expansion function and another pair for the compression function (along the lines of the pumps with stator vane illustrated in drawing 4) to then continue to complete the machine. In this case it must be said that you get a double car, since on each of these Wankels everything is doubled with the left side.

39. DISEGNO 6 - Lo schema generale riportato dal disegno 1 può essere realizzato anche da coppie ordinarie di pompe volumetriche rotanti a lobi di diverse dimensioni 55, 56 . Gli elementi costitutivi sono: 57 statore, 58 lobi, 59 e 61 luce di carico, 60 e 62 luce di scarico. Come descritto nel disegno 4 per le pompe volumetriche rotanti con paletta statorica, anche qui si possono formare le coppie per le funzioni espansione e compressione per poi assemblare la macchina completa. Si può evidenziare che, date le caratteristiche dei lobi, il risultato finale sarà una coppia meccanica ancora più continua. 39. DRAWING 6 - The general diagram shown in drawing 1 can also be made from ordinary pairs of rotary lobe volumetric pumps of different sizes 55, 56. The constituent elements are: 57 stator, 58 lobes, 59 and 61 loading port, 60 and 62 exhaust port. As described in drawing 4 for the rotary volumetric pumps with stator vane, also here the couples for the expansion and compression functions can be formed in order to then assemble the complete machine. It can be pointed out that, given the characteristics of the lobes, the final result will be an even more continuous mechanical couple.

40. DISEGNO 7 - L’espansione può avvenire progressivamente in più cilindri (multistadio) 63, 64, 65, 66 e lo stesso dicasi per la compressione 67, 68, 69, 70. In analogia al disegno 2, anche qui i passaggi di fluido da un cilindro all’altro sono rappresentate da frecce in linea continua 71 nel caso di primo ciclo di Stirling e da frecce con linee discontinue 72, 73, 74 nel caso di secondo/terzo/quarto ciclo (tutti sfasati sia dal primo ciclo che tra di loro); la freccia coincide anche con lo scambiatore che sarà principale nei passaggi da 63 a 70 e da 67 a 66 ed ausiliario nei passaggi da 70 a 69, da 69 a 68, da 68 a 67, da 66 a 65, da 65 a 64 e da 64 a 63. Ciò che è illustrato nel disegno 2, è stato analogamente realizzato e illustrato, con dispositivi rotativi, nei disegni 4, 5, 6. Le macchine rotative sostituiscono le macchine alternative. 40. DRAWING 7 - The expansion can take place progressively in several cylinders (multistage) 63, 64, 65, 66 and the same can be said for compression 67, 68, 69, 70. In analogy to drawing 2, also here the steps of fluid from one cylinder to another are represented by arrows in a continuous line 71 in the case of the first Stirling cycle and by arrows with discontinuous lines 72, 73, 74 in the case of the second / third / fourth cycle (all out of phase both from the first cycle and among them); the arrow also coincides with the exchanger which will be main in passages from 63 to 70 and from 67 to 66 and auxiliary in passages from 70 to 69, from 69 to 68, from 68 to 67, from 66 to 65, from 65 to 64 and 64 to 63. What is illustrated in drawing 2 has similarly been realized and illustrated, with rotary devices, in drawings 4, 5, 6. Rotary machines replace reciprocating machines.

41. DISEGNO 8 - Lo schema descritto nel disegno 2 riguardava il motore; invertendo il senso di rotazione, otteniamo, con gli stessi componenti, la macchina frigo descritta; abbiamo ordinarie coppie cilindro pistone 83, 84, 85, 86 munite di coppie di valvole on-off 87. Le fasi sono indicate con 91 , 92, 93, 94; i passaggi di fluido da un cilindro all’altro sono rappresentate da frecce in linea continua 88 nel caso di primo ciclo di Stirling e da frecce con linee discontinue 89 nel caso di secondo ciclo (in opposizione di fase col primo); la freccia coincide anche con lo scambiatore che sarà principale nei passaggi da 86 a 83 e da 84 a 85; lo scambiatore sarà ausiliario nei passaggi da 86 a 83 e da 84 a 85; la linea continua 90 indica la posizione del pistone alla fine della fase considerata. 41. DRAWING 8 - The scheme described in drawing 2 concerned the engine; by inverting the direction of rotation, we obtain, with the same components, the refrigeration machine described; we have ordinary cylinder-piston pairs 83, 84, 85, 86 equipped with pairs of on-off valves 87. The phases are indicated with 91, 92, 93, 94; the fluid passages from one cylinder to the other are represented by arrows in a continuous line 88 in the case of the first Stirling cycle and by arrows with discontinuous lines 89 in the case of the second cycle (in phase opposition with the first); the arrow also coincides with the exchanger which will be main in the passages from 86 to 83 and from 84 to 85; the exchanger will be auxiliary in the passages from 86 to 83 and from 84 to 85; the solid line 90 indicates the position of the piston at the end of the phase considered.

VANTAGGI DELL’INVENZIONE ADVANTAGES OF THE INVENTION

42 on l’innovazione proposta non è più necessario far ricorso a cinematismi complessi per coordinare la meccanica con la termodinamica. A differenza delle classiche configurazioni con manovellismo (Alpha, ad esempio) cui, con le debite differenze, la macchina proposta si richiama, ciascuna camera e quindi ciascun pistone è associato ad una sola fase del Ciclo Stirling, e compirà, in ogni momento, il medesimo movimento con la medesima velocità, verso l’alto o verso il basso: si tratterà di una aspirazione (movimento verso il basso) ovvero di una espulsione (movimento verso l’alto) del fluido di lavoro 42 with the proposed innovation it is no longer necessary to resort to complex kinematics to coordinate mechanics with thermodynamics. Unlike the classic configurations with crank mechanism (Alpha, for example) to which, with the due differences, the proposed machine refers, each chamber and therefore each piston is associated with only one phase of the Stirling cycle, and will perform, at any time, the same movement with the same speed, upwards or downwards: it will be an aspiration (downward movement) or an expulsion (upward movement) of the working fluid

43 II salto inventivo rispetto alla tecnica preesistente può essere effettivamente compreso considerando che per soddisfare quanto richiesto dal ciclo di Stirling deve essere il fluido di lavoro a compiere le trasformazioni termodinamiche - ovvero due trasformazioni isoterme, di espansione e di compressione, e due trasformazioni isocore rigenerative -mentre la meccanica ha un rilievo soltanto funzionale, nel senso che il suo apporto è rilevante esclusivamente nella misura in cui il fluido di lavoro esegue il ciclo, e nulla di più. Possono quindi aversi le più diverse forme meccaniche, i più disparati cinematismi e manovellismi, può addirittura aversi assenza di manovellismi (sistema Free piston); ma, in definitiva, qualsiasi meccanica è valida a condizione che imponga al fluido le richieste trasformazioni termodinamiche. L’invenzione prevede, in proposito, il più semplice tra i cinematismi possibili che soddisfa tale condizione. 43 The inventive leap with respect to the pre-existing technique can be effectively understood considering that to satisfy the requirements of the Stirling cycle, the working fluid must perform the thermodynamic transformations - that is, two isothermal transformations, expansion and compression, and two isochore regenerative transformations. - while the mechanics have only a functional importance, in the sense that its contribution is relevant only to the extent that the working fluid carries out the cycle, and nothing more. Therefore, there can be the most different mechanical forms, the most disparate kinematics and crank mechanisms, there may even be no crank mechanisms (Free piston system); but, ultimately, any mechanics is valid on condition that it imposes the required thermodynamic transformations on the fluid. In this regard, the invention provides for the simplest of the possible kinematics that satisfies this condition.

44. Circa la descrizione del ciclo compiuto nella macchina, si osservi che alle trasformazioni isoterme, di espansione e di compressione, si accompagna sempre un trasferimento isocoro non rigenerativo, in quanto il fluido passa comunque da una camera all’altra in ognuna delle quattro fasi. Tuttavia, in pratica, tali trasferimenti isocori, non essendo rigenerativi, non influenzano in nulla la sequenza delle trasformazioni termodinamiche effettuate dal fluido e non interferiscono con il corretto compimento del ciclo di Stirling che prevede, come noto, due trasformazioni isoterme e due rigenerative isocore. 44. Regarding the description of the cycle carried out in the machine, it should be noted that the isothermal transformations, of expansion and compression, are always accompanied by a non-regenerative isochoric transfer, since the fluid in any case passes from one chamber to another in each of the four phases . However, in practice, these isochoric transfers, not being regenerative, have no influence on the sequence of the thermodynamic transformations carried out by the fluid and do not interfere with the correct completion of the Stirling cycle which, as known, provides for two isothermal transformations and two isochore regenerative ones.

APPLICABILITÀ INDUSTRIALE INDUSTRIAL APPLICABILITY

45. I vantaggi del sistema descritto sono relativi alla semplificazione costruttiva, all'incremento di potenza e rendimento ottenibile. Dal punto di vista industriale, la macchina può essere impiegata in tutti i settori ove trova applicazione il motore Stirling, tramite la valorizzazione di qualunque fonte termica, anche di scarto. Il sistema può funzionare evidentemente anche a ciclo inverso come refrigeratore o pompa di calore, somministrando energia meccanica. Possono realizzarsi sistemi per generatori elettrici, pompe di calore, macchine frigorifere e criogeneratori, eventualmente anche motori per trazione, come elemento ausiliario o anche principale. 45. The advantages of the system described relate to the simplification of construction, to the increase in power and obtainable efficiency. From the industrial point of view, the machine can be used in all sectors where the Stirling engine is used, through the enhancement of any thermal source, including waste. The system can obviously also operate in reverse cycle as a chiller or heat pump, supplying mechanical energy. Systems for electric generators, heat pumps, refrigerating machines and cryogenerators, possibly also traction motors, as an auxiliary or even main element can be created.

Claims (2)

RIVENDICAZIONI Dell’invenzione avente titolo “MACCHINA DI STIRLING A FLUSSO MONODIREZIONALE” RIVENDICAZIONI Si rivendica: 1) Macchina termica a ciclo Stirling, adatta per funzione motrice ovvero operatrice, comprendente: - almeno due ambienti termicamente isolati (1 , 2), anche a differente temperatura; - almeno una macchina compressore (3), adatta ad essere allocata in uno degli ambienti anzidetti e costruita con materiali almeno in parte termicamente conduttivi, in modo da scambiare calore con il fluido di lavoro e con l'ambiente in cui è collocata; - almeno una macchina espansore (4), adatta ad essere allocata in uno degli ambienti anzidetti e costruita con materiali almeno in parte termicamente conduttivi, in modo da scambiare calore con il fluido di lavoro e con l'ambiente in cui è collocata; - almeno uno scambiatore di calore (5), adatto a consentire lo scambio di calore tra i flussi di fluido di lavoro, aventi diversa temperatura, provenienti , rispettivamente, dalla macchina compressore (3) e dalla macchina espansore (4); - fluido di lavoro, adatto a percorrere - in maniera ciclica e con flusso unidirezionale - un circuito, attraverso compressore (3), scambiatore (5) ed espansore (4); essendo il fluido adatto a scambiare energia termica, anche con gli ambienti contenenti le macchine (1 ,2), nel detto percorso tra compressore, scambiatore ed espansore; detti ultimi dispositivi essendo atti a cooperare per indurre il fluido di lavoro a compiere trasformazioni termodinamiche tendenzialmente isoterme, nella circolazione attraverso la macchina compressore (compressione isoterma) e attraverso la macchina espansore (espansione isoterma); e a compiere trasformazioni rigenerative tendenzialmente isocore nel trasferimento, attraverso lo scambiatore, da una macchina all'altra; effettuando così il ciclo di Stirling, diretto o inverso. CLAIMS Of the invention entitled "ONE-WAY FLOW STIRLING MACHINE" CLAIMS It claims: 1) Stirling cycle thermal machine, suitable for driving or operating function, comprising: - at least two thermally insulated environments (1, 2), even at different temperatures; - at least one compressor machine (3), suitable for being located in one of the aforementioned environments and built with materials that are at least partly thermally conductive, so as to exchange heat with the working fluid and with the environment in which it is located; - at least one expanding machine (4), suitable for being located in one of the aforementioned environments and built with at least partly thermally conductive materials, so as to exchange heat with the working fluid and with the environment in which it is located; - at least one heat exchanger (5), suitable for allowing the exchange of heat between the working fluid flows, having different temperatures, coming, respectively, from the compressor machine (3) and from the expander machine (4); - working fluid, suitable for running - cyclically and with unidirectional flow - a circuit, through compressor (3), exchanger (5) and expander (4); the fluid being suitable for exchanging thermal energy, also with the environments containing the machines (1, 2), in the said path between the compressor, exchanger and expander; said latter devices being able to cooperate to induce the working fluid to perform basically isothermal thermodynamic transformations, in the circulation through the compressor machine (isothermal compression) and through the expanding machine (isothermal expansion); and to perform regenerative transformations which tend to be isochore in the transfer, through the exchanger, from one machine to another; thus carrying out the Stirling cycle, direct or reverse. 2) Macchina termica a ciclo Stirling, come da rivendicazione sub 1, caratterizzata dal fatto che la portata del flusso del fluido di lavoro in uscita dalla macchina compressore è tendenzialmente equivalente alla portata in entrata della macchina espansore, e, ulteriormente, dal fatto che la portata del flusso di fluido di lavoro in uscita dalla macchina espansore è tendenzialmente equivalente alla portata in entrata della macchina compressore, essendo detta relazione quantitativa tra le portate di flusso del fluido di lavoro adatta al compimento delle fasi di trasferimento isocoro, tipiche del ciclo Stirling diretto o inverso; 3) Macchina termica a ciclo Stirling, come da rivendicazioni sub 1 e 2, caratterizzata dal fatto che la macchina compressore è una macchina multistadio, adatta ad effettuare la compressione del fluido in più fasi (stadi) con l'ausilio di almeno un dispositivo adatto a spingere il fluido in spazi progressivamente decrescenti; 4) Macchina termica a ciclo Stirling, come da rivendicazioni sub 1 , 2 e 3, caratterizzata dal fatto che la macchina espansore è una macchina multistadio, adatta ad effettuare l'espansione del fluido in più fasi (stadi) con l'ausilio di almeno un dispositivo adatto a spingere il fluido in spazi progressivamente crescenti; 5) Macchina termica a ciclo Stirling, come da rivendicazioni sub 3 e 4, caratterizzata dal fatto che , nel passaggio tra uno stadio e l'altro di compressione e nel passaggio tra uno stadio e l'altro di espansione, il fluido di lavoro viene fatto transitare attraverso un dispositivo scambiatore, adatto a scambiare calore anche con sorgenti termiche o con l'ambiente esterno, in modo rendere più efficiente e potente la macchina di Stirling; 6) Macchina termica a ciclo Stirling, come da rivendicazioni sub 1 , 2, 3, 4, 5, caratterizzata dal fatto la macchina espansore è collocata in ambiente a temperatura maggiore rispetto aN'ambiente, isolato dal primo, in cui è collocata la macchina compressore, ed essendo quindi il fluido di lavoro indotto a compiere un ciclo Stirling diretto nel transito tra la macchina compressore il dispositivo scambiatore e la macchina espansore, in modo da comprimersi cedendo calore aN'ambiente esterno, nella macchina compressore ; in modo da scambiare calore con il fluido a diversa temperatura - proveniente dall'espansore - nel dispositivo scambiatore; in modo da espandersi nella macchina espansore, acquistando calore con l'ambiente esterno; in modo da scambiare calore col fluido a diversa temperatura, proveniente dal compressore, nel dispositivo scambiatore, per poi transitare nuovamente nel compressore, e ripetere il ciclo; essendo detto sistema capace di fornire energia meccanica, adatta a produrre energia elettrica con l'ausilio di un generatore; 7) Macchina termica a ciclo Stirling, come da rivendicazioni sub 1 , 2, 3, 4, 5, caratterizzata dal fatto che la macchina espansore e la macchina compressore sono collocate in ambienti, comunque isolati termicamente tra loro, aventi temperatura simile rispetto aN'ambiente esterno; essendo quindi il fluido di lavoro indotto a compiere un ciclo Stirling inverso nel transito tra la macchina compressore, il dispositivo scambiatore e la macchina espansore, a seguito della somministrazione di energia meccanica al sistema di macchine; essendo il fluido di lavoro adatto a comprimersi cedendo calore aN'ambiente esterno, nella macchina compressore ; in modo da scambiare calore con il fluido a diversa temperatura - proveniente dall'espansore - nel dispositivo scambiatore; in modo da espandersi nella macchina espansore, acquistando calore daN'ambiente esterno; in modo da scambiare calore col fluido a diversa temperatura, proveniente dal compressore, nel dispositivo scambiatore, per poi transitare nuovamente nel compressore, e ripetere il ciclo; in modo da trasferire calore daN'ambiente in cui è allocata la macchina compressore, aN'ambiente in cui è allocata la macchina espansore; 8) Macchina termica a ciclo Stirling, come da rivendicazioni sub 1 , 2 , 3, 4, 5, 6, 7 caratterizzata dal fatto che la macchina volumetrica compressore e la macchina volumetrica espansore hanno almeno un componente in comune; 9) Macchina termica a ciclo Stirling, come da rivendicazione sub 8 caratterizzata dal fatto che i componenti comuni sono fabbricati con materiale isolante termicamente, adatti ad evitare un effetto di ponte termico. 10)Macchina termica a ciclo Stirling, come da rivendicazioni 1 , 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, caratterizzata dalla presenza di un almeno un dispositivo adatto alla raccolta o alla somministrazione di lavoro meccanico.2) Stirling cycle thermal machine, as per claim 1, characterized by the fact that the flow rate of the working fluid leaving the compressor machine is basically equivalent to the inlet flow rate of the expander machine, and, furthermore, by the fact that the flow rate of the working fluid outgoing from the expanding machine is basically equivalent to the inlet flow rate of the compressor machine, since said quantitative relationship between the flow rates of the working fluid is suitable for carrying out the isochorous transfer phases, typical of the direct Stirling cycle or reverse; 3) Stirling cycle thermal machine, as per claims 1 and 2, characterized by the fact that the compressor machine is a multistage machine, suitable for compressing the fluid in several phases (stages) with the aid of at least one suitable device to push the fluid into progressively decreasing spaces; 4) Stirling cycle thermal machine, as per claims 1, 2 and 3, characterized by the fact that the expanding machine is a multistage machine, suitable for carrying out the expansion of the fluid in several phases (stages) with the aid of at least a device suitable for pushing the fluid into progressively increasing spaces; 5) Stirling cycle thermal machine, as per claims 3 and 4, characterized in that, in the passage from one compression stage to another and in the passage from one expansion stage to another, the working fluid is passed through an exchanger device, suitable for exchanging heat even with thermal sources or with the external environment, in order to make the Stirling machine more efficient and powerful; 6) Stirling cycle thermal machine, as per claims 1, 2, 3, 4, 5, characterized by the fact that the expanding machine is placed in an environment with a higher temperature than the environment, isolated from the first, in which the machine is located compressor, and therefore the working fluid being induced to perform a direct Stirling cycle in transit between the compressor machine, the exchanger device and the expanding machine, so as to compress itself, releasing heat to the external environment, in the compressor machine; in order to exchange heat with the fluid at different temperatures - coming from the expander - in the exchanger device; in order to expand in the expander machine, acquiring heat with the external environment; in order to exchange heat with the fluid at different temperatures, coming from the compressor, in the exchanger device, to then pass through the compressor again, and repeat the cycle; said system being capable of supplying mechanical energy, suitable for producing electrical energy with the aid of a generator; 7) Stirling cycle thermal machine, as per claims 1, 2, 3, 4, 5, characterized by the fact that the expanding machine and the compressor machine are located in environments, however thermally insulated from each other, having a similar temperature compared to N ' external environment; therefore the working fluid being induced to perform an inverse Stirling cycle in transit between the compressor machine, the exchanger device and the expanding machine, following the administration of mechanical energy to the machine system; the working fluid being suitable for compressing itself by releasing heat to the external environment, in the compressor machine; in order to exchange heat with the fluid at different temperatures - coming from the expander - in the exchanger device; in order to expand in the expanding machine, acquiring heat from the external environment; in order to exchange heat with the fluid at different temperatures, coming from the compressor, in the exchanger device, to then pass through the compressor again, and repeat the cycle; so as to transfer heat from the room where the compressor machine is located, to the room where the expander machine is located; 8) Stirling cycle thermal machine, as per claims 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 characterized in that the volumetric compressor machine and the volumetric expander machine have at least one component in common; 9) Stirling cycle thermal machine, as per claim 8, characterized by the fact that the common components are manufactured with thermally insulating material, suitable for avoiding a thermal bridge effect. 10) Stirling cycle thermal machine, as per claims 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, characterized by the presence of at least one device suitable for collecting or administering mechanical work.
IT000049A 2010-10-11 2010-10-11 SINGLE-OPERATIONAL STIRLING MACHINE ITNA20100049A1 (en)

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