MXPA00000589A - Mejoramientos a maquinas de ciclo stirling. - Google Patents

Abstract

Un mecanismo de impulsion rombico, tal como una maquina Stirling, para interconvertir el movimiento rotatorio de los ejes de motor al movimiento lineal alternante de dos bielas; se emplea una pieza de flexion como pivote comun entre las conexiones acopladas excentricamente a los ejes de motor; se pueden usar acoplamientos con juntas de flexion para acoplar las bielas a los respectivos embolos de un motor; otros mejoramientos a una maquina Stirling incluyen el calentamiento radiante de la cabeza calentadora y el uso de una cabeza calentadora de ceramica para transmitir el calor radiante al fluido de trabajo de la maquina.

Description

MEJORAMIENTOS A MAQUINAS DE CICLO STIRLING CAMPO TÉCNICO La presente invención concierne a mejoramientos a un motor de calor o un refrigerador de ciclo Stirling y más particularmente a mejoramientos relacionados con los componentes mecánicos y térmicos de un motor de calor o un refrigerador de ciclo Stirling que contribuyen a la eficiencia y la duración incrementadas de la operación del motor, y al tamaño, la complejidad y el costo reducidos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Las máquinas de ciclo Stirling, incluyendo motores y refrigeradores, tienen una larga tradición tecnológica, descrita con detalle en Walker, Stirling Engines, Oxford University Press (1980), incorporado en la presente por referencia. El principio que sirve de base al motor de ciclo Stirling es la realización mecánica del ciclo temodinámico Stirling: el calentamiento isovolumétrico de un gas dentro de un cilindro, la transición isotérmica del gas (durante la cual se realiza el trabajo impulsando un émbolo), el enfriamiento isovolumétrico y la compresión isotérmica. El refrigerador de ciclo Stirling es también la realización mecánica de un ciclo termodinámico que se aproxima al ciclo termodinámico Stirling ideal. En un ciclo termodinámico Stirling ideal, el fluido de trabajo experimenta los ciclos sucesivos de calentamiento isovolumétrico, expansión isotérmica, enfriamiento isovolumétrico y compresión isotérmica. Las realizaciones prácticas del ciclo, en las cuales las etapas no son ni isovolu métricas ni isotérmicas, están dentro del alcance de la presente invención y se puede hacer referencia a las mismas dentro de la presente descripción en el lenguaje del caso ideal sin limitación del alcance de la invención como se reclama. Varios aspectos de la presente invención aplican tanto a motores de ciclo Stirling como a refrigeradores de ciclo Stirling, a los cuales se hace referencia colectivamente como máquinas de ciclo Stirling en la presente descripción y cualesquiera reivindicaciones anexadas. Se discuten aspectos adicionales de las máquinas de ciclo Stirling y mejoramientos a las mismas, en la solicitud de patente de E.U.A. en trámite titulada "Cantilevered Crankshaft Stirling Cycle Machine," presentada el 14 de Julio de 1998 e incorporada en la presente por referencia. De describe adecuadamente el principio de operación de un motor Stirling con referencia a las figuras 1a-1e, en las cuales se usan números idénticos para identificar partes iguales o similares. Se conocen en la técnica muchas disposiciones mecánicas de máquina de ciclo Stirling y se muestra el motor Stirling particular designado generalmente por el número 10, meramente con propósitos ilustrativos. En las figuras 1a a 1d, el émbolo 12 y un desplazador 14 se mueven en movimiento alternante en fase dentro de los cilindros 16 los cuales, en algunas modalidades del motor Stirling, puede ser un solo cilindro. Se impide con obturadores que un fluido de trabajo contenido dentro de los cilindros 16 escape alrededor del émbolo 12 y el desplazador 14. Se elige el fluido de trabajo por sus propiedades termodinámicas, como se describe en la descripción posterior, y es típicamente helio a una presión de varias atmósferas. La posición de desplazador 14 controla si el fluido de trabajo está en contacto con la interfaz caliente 18 o la interfaz fría 20, correspondientes, respectivamente, a las interfaces a las cuales se suministra calor o de las cuales se extrae el fluido de trabajo. Se discute el suministro y la extracción de calor posteriormente con más detalle. Se hace referencia al volumen de fluido de trabajo regido por la posición del émbolo 12, como el espacio de compresión 22. Durante la primera fase del ciclo del motor, cuya condición inicial se representa en la figura 1a, el émbolo 12 comprime el fluido en el espacio de compresión 22. La compresión ocurre a temperatura substancialmente constante porque se extrae calor del fluido al medio ambiente. En la práctica, se provee un enfriador 68 (mostrado en la figura 2), como se discutirá en la descripción posteriormente. Se representa en la figura 1b la condición del motor 10 después de la compresión. Durante la segunda fase del ciclo, el desplazador 14 se mueve en la dirección de la interfaz fría 20, desplazándose el fluido de trabajo de la región de la ¡nterfaz fría 20 a la región de la interfaz caliente 18. Se puede hacer referencia a esta fase como la fase de transferencia. Al final de la fase de transferencia, el fluido está a una presión más alta, ya que se ha calentado el fluido de trabajo a volumen constante. Se representa la presión incrementada simbólicamente en la figura 1c mediante la lectura del manómetro 24.

Durante la tercera fase (la carrera de expansión) del ciclo del motor, el volumen del espacio de compresión 22 aumenta conforme se atrae calor desde afuera del motor 10, convirtiendo así el calor en trabajo. En la práctica, se provee calor al fluido por medio de un calentador 64 (mostrado en la figura 2) que se discute con mayor detalle en la descripción posterior. Al final de la fase de expansión, el espacio de compresión 22 está lleno de fluido frío, como se representa en la figura 1d. Durante la cuarta fase del ciclo del motor, se transfiere el fluido de la región de la ¡nterfaz caliente 18 a la región de la ¡nterfaz fría 20 por el movimiento de desplazador 14 en el sentido opuesto. Al final de esta segunda fase de transferencia, el fluido llena el espacio de compresión 22 y la ¡nterfaz fría 20, como se representa en la figura 1a, y está lista para una repetición de la fase de compresión. Se representa el ciclo Sterling en un diagrama de P-V (presión-volumen), como se muestra en la figura 1b. Adicionalmente, al pasar de la región de la interfaz caliente 18 a la región de la interfaz fría 20, el fluido puede pasar a través de un regenerador 66 (mostrado en la figura 2). El regenerador 66 es una matriz de material que tiene una relación grande del área de superficie al volumen que sirve para absorber calor del fluido cuando entra caliente de la región de la interfaz caliente 18 y para calentar el fluido cuando pasa de la región de la interfaz fría 20. Se puede describir el principio de operación de un refrigerador de ciclo Stirling, también con referencia a las figuras 1a-1e, en las cuales se usan números idénticos para identificar partes ¡guales o similares. Las diferencias entre el motor descrito anteriormente y una máquina Stirling empleada como refrigerador es que el volumen de compresión 22 está típicamente en comunicación térmica con la temperatura ambiente y el volumen de expansión 24 está conectado a una carga externa de enfriamiento (no mostrada). La operación de refrigerador requiere entrada neta de trabajo. Los medios de la técnica anterior para transferir radiación externa de calor al fluido de trabajo de un motor Stirling han requerido una ventana de cuarzo para acoplar la radiación al fluido. Estos medios no son satisfactorios a temperaturas de operación superiores al punto de reblandecimiento del cuarzo, ya que se deben sostener, típicamente, significantes diferencias de presión entre el fluido del trabajo y el medio ambiente. No se han usado generalmente los motores de ciclo Stirling en aplicaciones prácticas y se han limitado los refrigeradores de ciclo Stirling al campo de especialidad de la criogénica, debido a varios desafíos desanimadores de la ingeniería a su desarrollo. Estos implican consideraciones prácticas tales como eficiencia, vibración, duración y costo. La presente invención aborda estas consideraciones.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN De acuerdo con un aspecto de la invención, en una de sus modalidades, se provee un mecanismo de impulsión rómbico para interconvertir el movimiento rotatorio y alternar en movimiento lineal de una primera y una segunda biela, teniendo el movimiento lineal de la primera biela una relación de fase con el movimiento lineal de la segunda biela. El mecanismo de impulsión rómbico tiene un ensamble de movimiento rotatorio que tiene dos ejes de motor y dos mecanismos de conexión: un mecanismo de conexión superior y un mecanismo de conexión inferior. El mecanismo de conexión superior, que transmite un movimiento del ensamble de movimiento rotatorio a la primera biela, tiene un primer brazo de conexión superior que tiene un primer extremo acoplado excéntricamente alrededor del primer eje de motor y un segundo extremo, así como un segundo brazo de conexión superior que tiene un primer extremo acoplado excéntricamente alrededor del segundo eje de motor y un segundo extremo acoplado flexiblemente atrás de un pivote común al segundo extremo del primer brazo de conexión superior, siendo el pivote común una pieza flexión. El mecanismo de conexión inferior transite movimiento del ensamble de movimiento rotatorio al de la segunda biela y tiene por lo menos dos vastagos acoplados excéntricamente a los ejes de motor por medio de cojinetes rotatorios. De acuerdo con otro aspecto de la invención, se provee un mecanismo de impulsión rómbico para interconvertir el movimiento rotatorio y el movimiento lineal alternante de una primera y una segunda biela en la que por lo menos una biela está acoplada por lo menos una biela está acoplada por lo menos a un émbolo por medio de un acoplamiento de junta de flexión. En una modalidad alternativa de la invención, el mecanismo de impulsión rómbico puede tener dos engranajes de distribución, incluyendo cada uno un apilamiento de dos engranajes helicoidales montados coaxialmente con pasos de compensación. Los engranajes de distribución primero y segundo pueden incluir además calces de ajuste que separen los engranajes helicoidales para el ajuste fino de fase entre los movimientos de la primera y segunda biela, y el mecanismo de impulsión rómbico puede incluir también por lo menso dos bandas de resorte para cargar los cojinetes rotatorios previamente. De acuerdo con otros aspectos de la presente invención, una máquina de ciclo Stirling del tipo en el cual un émbolo y un desplazador que tienen un extremo de alta temperatura y un extremo de baja temperatura experimenta el movimiento alternante dentro de un cilindro, puede tener un anillo regenerador que rodee el extremo de alta temperatura y el extremo de baja temperatura del desplazador. De acuerdo con una modalidad alternativa adicional de la invención, un radiador puede estar dispuesto circunferencialmente con respecto a de la cabeza calentadora del motor de ciclo Stirling para transferir calor a la cabeza calentadora por radiación y el radiador puede tener un apilamiento de miembros radiantes tales como aletas dispuestas circunferencialmente con respecto a la cabeza calentadora. La cabeza calentadora puede ser una cabeza calentadora cerámica transparente a la radiación térmica y se puede elegir dentro de los materiales de espinela de aluminato de magnesio, oxinitruro de aluminio e itrio impurificado con lantano. De acuerdo con un aspecto adicional de la presente invención, se provee un método para fabricar un fuelle que tiene una serie de circunvoluciones para separar una región que tiene una primera presión de gas de una región que tiene una segunda presión de gas, en donde la primera presión de gas excede la segunda presión de gas. El método tiene los pasos de juntar mecánicamente segmentos alternantes de juntas que se extienden la región que tiene la segunda presión de gas y que obtura los segmentos alternantes en juntas que se extienden a la región que tienen la primera presión de gas.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Se entenderá más fácilmente la invención con referencia a la siguiente descripción, considerada con los dibujos que acompañan, en los cuales: las figuras 1a-1e representan el principio de operación de una máquina de ciclo Stirling de la técnica anterior; la figura 2 es una vista lateral de una sección transversal de un motor de ciclo Stírling de acuerdo con una modalidad de la presente invención; la figura 3 es un diagrama esquemático en sección transversal de un juego de engranaje epicíclico para acoplar los movimientos lineales alternantes de un miembro de compresión y un émbolo de expansión de acuerdo con una modalidad de la presente invención; las figuras 4a-4h representan el principio de operación de una máquina de ciclo Stirling con bielas acopladas en conexión excéntrica de acuerdo con una modalidad de la presente invención; la figura 5a es una vista en perspectiva de un novedoso mecanismo de conexión L empleado para acoplar el movimiento lineal ortogonal de dos émbolos de una máquina de ciclo Stirling de acuerdo con una modalidad de la presente invención; la figura 5b es una vista lateral en sección transversal del mecanismo de conexión L de la figura 5a que muestra contrapesos torsionales de acuerdo con una modalidad de la presente invención; la figura 6a es una vista en planta en sección transversal de una máquina de ciclo Stirling que emplea una novedosa conexión para acoplar el movimiento lineal ortogonal de dos émbolos de acuerdo con una modalidad de la presente invención; la figura 6b es una vista lateral en sección transversal de una máquina de ciclo Stirling de la figura 6a que emplea la novedosa conexión para acoplar el movimiento lineal octagonal de dos émbolos de acuerdo con una modalidad de la presente invención; la figura 7a es una sección transversal a través de la línea AA de la figura 2 en un motor de ciclo Stirling que muestra un cigüeñal saledizo de acuerdo con la modalidad alternativa de la presente invención en donde el volante está dispuesto en le extremo del cigüeñal excéntrico que está distal a los cilindros del motor; la figura 7b es una sección transversal a través de la línea AA de la figura 2 en un motor de ciclo Stirling que muestra un cigüeñal saledizo de acuerdo con una modalidad alternativa de la presente invención en donde el volante está dispuesto al final del cigüeñal excéntrico distal a los cilindros del motor; la figura 8 es una sección transversal de un motor Stirling configurado en beta que emplea un mecanismo de impulsión rómbico de acuerdo con una modalidad de la presente invención; las figuras 9a-9d representan vistas laterales en sección transversal, en fases de ciclo sucesivas, de una máquina de ciclo Stirling configurada en beta que emplea un émbolo de potencia y un émbolo desplazador que tiene diferentes diámetros de acuerdo con una modalidad de la presente invención; la figura 10 es una vista en perspectiva de un mecanismo de impulsión rómbico de la técnica anterior que muestra una disposición de conexión trapezoidal de ejes divididos para acomodar acoplamientos excéntricos de conexión; la figura 11 es una vista en perspectiva de un mecanismo de impulsión rómbico y ejes continuos de acuerdo con una modalidad de la presente invención; la figura 12 es una vista en perspectiva de un mecanismo de impulsión rómbico que muestra una disposición de conexión triangular, ejes continuos, engranajes de distribución bihelicoidales, de acuerdo con una modalidad de la presente invención; la figura 13 es una vista lateral des una banda de acero en resorte para cargar previamente los cojinetes rotatorios de una máquina de ciclo Stirling de acuerdo con una modalidad de la presente invención; la figura 14 es una vista parcial en sección transversal del cilindro y el émbolo desplazador en un motor de ciclo Stirling que muestra un anillo regenerador de acuerdo con una modalidad de la presente invención; la figura 15 es un diagrama esquemático que muestra la temperatura del gas de combustión usado en la provisión de calor a la cabeza calentadora de un motor de ciclo Stirling que incluye un intercambiador de calor para calentar previamente el aire de combustión; la figura 16 es un diagrama esquemático que muestra la temperatura del gas de combustión usado en la provisión de calor a la cabeza calentadora de un motor de ciclo Stirling en etapas sucesivas de su flujo que incluye un generador termoeléctrico, de acuerdo con una modalidad de la presente invención; la figura 17 es un diagrama esquemático que muestra la temperatura del gas de combustión usado en la provisión de calor a la cabeza calentadora de un motor de ciclo Stirling que incluye un compresor impulsado por un tuboexpansor para hacer entrar el aire de combustión a un quemador, de acuerdo con una modalidad de la presente invención; la figura 18a es una vista en sección transversal de un amplificador de aire en el cual se usa combustible de alta presión para arrastrar el aire y el gas de escape recirculado rápidamente sobre la longitud de la cámara mezcladora antes del calentamiento de combustión de una cabeza calentadora de motor Stirling, de acuerdo con una modalidad de la presente invención; la figura 18b es una vista en sección transversal de un amplificador de aire que representa el principio de operación del amplificador de aire; la figura 19a es una representación esquemática del principio de calentamiento radiante de una cabeza calentadora de motor Stirling de acuerdo con una modalidad de la presente invención; la figura 19b es una vista en sección transversal de un ensamble de calentamiento radiante de una cabeza calentadora de motor Stirling de acuerdo con una modalidad de la presente invención, en la que la energía radiante es absorbida por un absorbedor dentro de una cabeza térmicamente transparente; la figura 19c es una vista en sección transversal de un motor en ciclo Stírling que emplea un intercambiador de calor de clavijas de acuerdo con la modalidad de la presente invención; la figura 19d es una vista detallada agrandada en perspectiva de los calentadores de clavijas del intercambiador de calor de clavijas de la figura 19c; la figura 20a es una vista lateral en sección transversal de un émbolo obturado con fuelle de acuerdo con una modalidad de la presente invención; y la figura 20b es una vista lateral en sección transversal de un solo segmento del émbolo obturado con fuelle de la figura 20a.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS Haciendo referencia ahora a la figura 2, un motor de ciclo Stirling, mostrado en sección transversal, aparece designado generalmente con el número 28. Aunque se describió la invención generalmente con referencia al motor Stirling mostrado en la figura 2, se da a entender que muchos motores así como refrigeradores se pueden beneficiar similarmente con varias modalidades y mejoramientos que son materia de la presente invención. Se hace referencia a la configuración del motor Stirling 28 mostrado en la figura 2, como una configuración alfa, caracterizada porque el émbolo de compresión 30 y el émbolo de expansión 32 experimentan movimiento lineal dentro de los respectivos y distintos cilindros: el émbolo de compresión 30 en el cilindro de compresión 34 y el émbolo de expansión 32 en el cilindro de expansión 36. Además del émbolo de compresión 30 y el émbolo de expansión 32, los componentes principales del motor Stirling 28 incluyen el calentador 64, el regenerador 66 y el enfriador 68. El émbolo de comprensión 30 y el émbolo de expansión 32, a los cuales se hace referencia colectivamente como émbolos, están obligados a moverse en movimiento lineal alternante dentro de los respectivos volúmenes 38 y 40 definidos lateralmente por la camisa de cilindro 42. Se hará referencia a los volúmenes del interior del cilindro próximo al calentador 64 y al enfriador 68, en la presente, como secciones caliente y fría respectivamente del motor 28. La fase relativa ("ángulo de fase") del movimiento lineal alternante del émbolo de compresión 30 y el émbolo de expansión 32 está regida por su respectivo acoplamiento al mecanismo de impulsión 44 alojado en el cigüeñal 46. E I mecanismo de impulsión 44, discutido con mayor detalle posteriormente, es un ejemplo de varios mecanismos conocidos en la técnica del diseño de motores que se puede emplear para regir la distribución relativa de los émbolos y para interconvertir el movimiento lineal y rotatorio. El émbolo de comprensión 30 y el émbolo de expansión 32 están acoplados, respectivamente, al mecanismo de impulsión 44 por medio de una primera biela 48 y en una segunda biela 50. El volumen del cilindro de comprensión 38 está acoplado al enfriador 68 a través de un conducto 45 para permitir el enfriamiento del fluido de trabajo comprimido durante la fase de comprensión. El conducto 45 acopla, más particularmente, el volumen de compresión 38 a los intercambiadores de calor anulares que comprenden el enfriador 68, el regenerador 66 y el calentador 64. De acuerdo con otra modalidad preferida de la invención, las bielas 48 y 50 pueden estar fabricadas de tal manera que sean flexibles con respecto al doblado, de modo que acomoden las desalineaciones de impulsión (tal como puede surgir por sometimiento a presión y calentamiento de la estructura del motor) a la vez que se provee suficiente rigidez tensional y contráctil para llevar las cargas compresivas requeridas sin combadura. Las bielas 48 y 50 están hechas preferiblemente de un metal de alta resistencia tal como acero de herramienta S-7, por ejemplo, y son ventajosamente de sección transversal elipsoidal, aunque las bielas de cualquier sección transversal están dentro del alcance de la presente invención.

Se discute ahora la operación del mecanismo de impulsión 44 con referencia a la figura 3. De acuerdo con una modalidad de la presente invención, se provee una conexión novedosa (a la cual se pueda hacer referencia como una conexión de "impulsión L") para acoplar dos miembros que experimentan movimiento lineal sinusoidal con un retraso de fase relativo. Un juego de engranaje epicíclico aparece designado generalmente con el número 70. Se puede emplear el juego de engranaje epicíclico 70 de acuerdo con una modalidad de la presente invención para acoplar los movimientos lineales alternantes de los símbolos 22 y 14 (mostrados en la figura 1 ), a los cuales se hace referencia alternativamente como émbolo de comprensión 12 y émbolo de expansión 14. El juego de engranaje epcíclico 70 consta de un engranaje interno 72 y un piñón diferencial 74, siendo el diámetro de paso del engranaje interno 72 igual a dos veces el diámetro de paso del piñón diferencial 74. Cuando el engranaje interno 72 queda fijo y se hace girar el piñón diferencial 74, dentro del engranaje interno 72, cada punto sobre el perímetro 76 del piñón diferencial 74 se desplaza a través de la línea recta con movimiento sinusoidal puro con respecto a un punto fiducial sobre la línea. Las figura 4a-4h muestran el respectivo desplazamiento lineal de los émbolos 12 y 14 acoplados atrás de las bielas 48 y 50 a lados opuestos del piñón diferencial 74 que gira con respecto al engranaje interno 72 fijo, como se describe con referencia a la figura 3. Los émbolos 12 y 14 se mueven a un ángulo uno con otro, preferentemente un ángulo dentro de aproximadamente 10° de la perpendicular. Los émbolos 12 y 14 describen movimiento lineal sinusoidal puro en una relación de ángulo de fase substancialmente igual a la orientación angular de los ejes del movimiento de los émbolos uno con respecto a otro. Así, por ejemplo, para el desplazamiento de émbolo orientado precisamente en sentido ortogonal, los émbolos 12 y 14 se mueven substancialmente en cuadratura (90° fuera de fase) uno con respecto a otro. Se muestran en las figuras 4a-4h las fases sucesivas del movimiento de los émbolos 12 y 14 con la rotación del piñón diferencial 74. Haciendo referencia ahora a la figura 5a, el uso de los contrapesos 78 (se muestra por claridad solamente un contrapeso 78) que gira a 180° fuera de fase con el piñón diferencial 74 permite que el motor se equilibre dinámicamente. Haciendo referencia a la vista en sección transversal del mecanismo de impulsión mostrado en la figura 5b, no es necesario cargar el mecanismo de impulsión simétricamente alrededor de su línea de centro, siempre que se añada un juego de "contrapesos torsionales" 80 alrededor del eje de cigüeñal excéntrico 86. El juego de los contrapesos 80 opuestos, provisto además de los contrapesos 78 primarios, puede equilibrar los momentos creados por los émbolos desalineados mientras que los contrapesos primarios 78 equilibran el motor en traslación. En la modalidad de la invención representada en perspectiva en la figura 5a y en vistas de plantas y laterales en sección transversal en la figura 5b, 6a y 6b, están provistos los contrapesos 78 para girar en contrafase a los cojinentes de émbolo de compresión 82 y el cojinete de émbolo de expansión 84 respectivamente. Las modalidades del mecanismo de impulsión de conexión de la presente invención requieren mucho menos partes que un mecanismo de impulsión rómbico, descrito con mayor detalle posteriormente. Adicionalmente, el volumen desplazado por el novedoso mecanismo de impulsión de conexión es menor que el volumen de desplazamiento de un mecanismo de impulsión rómbico con la misma carrera de émbolo. Adicionalmente, se puede equilibrar perfectamente el movimiento sinusoidal de los dos émbolos perpendiculares con un simple contrapeso y no pone cargas laterales sobre los obtuladores de émbolo, reduciendo así la fricción, incrementando la duración del motor y permitiendo la operación en seco. Haciendo referencia ahora a la figura 7a, se muestra una vista en sección transversal del motor Stirling 28 tomada a lo largo del corte AA de la figura 2. Los cojinetes excéntricos 82 del émbolo de comprensión y el cojinete 84 del émbolo de expansión están dispuestos alrededor del cigüeñal excéntrico 86 como saledizos desde el juego principal de cojinetes 88 que soporta el cigüeñal primario (o "exterior") 90 con respecto al alojamiento 92 del motor 28. El cigüeñal excéntrico 86 gira alrededor de un eje excéntrico/primario 90, impulsando el cigüeñal primario 90 en sentido opuesto de rotación, a la misma velocidad de rotación, en virtud del piñón diferencial 94 y el engranaje interno 96, comprendiendo juntos el juego de engranaje epicíclico 98, como se describe con referencia a la figura 3. La posición del cigüeñal primario 86 con respecto a un punto arbitrario fijado con respecto al motor define un "ángulo de cigüeñal". Se puede hacer referencia a los cigüeñales configurados de esta manera, como "cigüeñales armónicos".

La configuración de cigüeñales saledizos permite ventajosamente la lubricación del juego de engranaje 98 sin la contaminación del fluido de trabajo del motor Stirling que se debe mantener limpio de manera que no se contamine el regenerador y exponga la operación eficiente del motor. El cigüeñal primario 90, en cambio, puede impartir momento torsional a una carga mecánica. Un ejemplo de carga mecánica es un rotor de generador 100, impulsado rotacionalmente con respecto al estator de generador 102 para generar energía eléctrica. El volante excéntrico 104 y el contrapeso lineal 106 están acoplados al cigüeñal excéntrico 86 y por lo tanto saledizos alrededor del juego principal de cojinetes 88. El volante excéntrico 104 está provisto a fin de que la inercia neta, incluyendo la cantidad de movimiento de los componentes que giran hacia adelante y la de los componentes que giran hacia atrás, sea cero. Así, se evita ventajosamente la vibración del motor debido a variaciones en la velocidad del motor. El volante excéntrico 104 puede estar dispuesto, dentro del alcance de la invención, de manera diferente de como se muestra en la figura 7a. Por ejemplo, haciendo referencia a la figura 7b, se muestra en sección transversal una modalidad alternativa del motor Stirling de la figura 2, en donde el volante excéntrico 104 está dispuesto en el extremo 105 del cigüeñal excéntrico 86 distal a la ubicación a los cojinetes de émbolo 82 y 84. Haciendo referencia nuevamente a la figura 7a, el cigüeñal excéntrico 86 está soportado con respecto al cigüeñal primario 90 por los cojinetes 108 y 110. Un contrapeso primario 112 y un contrapeso torsional 114 están provistos para el equilibrio dinámico del cigüeñal 90 con respecto al ensamble entero de cigüeñal excéntrico, incluyendo los émbolos.

La carga sobre el cigüeñal primario 90 no cambia preferentemente la dirección en el transcurso de un ciclo del motor. De esta manera, en virtud del equilibrio de la inercia hacia adelante y hacia atrás se impide la reversa torsional del juego de engranaje epicíclico 98, impidiendo así el ruido y el desgaste asociados con el retroceso del engranaje. Si la carga sobre el eje primario 90 es constante, el momento proporcional sobre el juego de engranaje epicíclico 98 es unidireccional y se reduce también al mínimo para una salida de energía neta dada. Si la carga indicada es un generador eléctrico, la operación constante de momento torsional da por resultado también la eficiencia más alta del generador. Adicíonalmente, de acuerdo con una modalidad de la invención se puede regular la carga común sobre el generador, por ejemplo con el regulador de carga 103 que puede ser un procesador, como se sabe en la técnica eléctrica, para proveer un momento torsional constante sobre el juego de engranaje epicíclico 98 para realizar la operación ventajosa que se describe. Adicionalmente, el rotor de generador 100 puede proveer toda o parte de la masa de un volante y el generador puede funcionar también como arrancador para arrancar el motor. Se describe ahora una modalidad interactiva de la invención con referencia a la figura 8. En la vista lateral mostrada en sección transversal en la figura 8, está configurado un motor de ciclo Stirling 28 en una configuración beta, caracterizado por un movimiento lineal en línea del émbolo de potencia 30 y el émbolo desplazador 32. De acuerdo con una modalidad de la invención, la biela 48 está configurada como una barra hueca, estando configurada la biela 50 de manera que experimente movimiento lineal alternante coaxialmente con la biela 48 e interiormente a la misma. Otras configuraciones están también dentro del alcance de la invención, incluyendo refrigeradores y otras modalidades discutidas particularmente, en las otras secciones de la descripción. En la modalidad de la figura 8, el mecanismo de impulsión 36 es un mecanismo de impulsión rómbico que consta de un ensamble de movimiento rotatorio 120, un mecanismo de conexión superior 122 y un mecanismo de conexión inferior 124. El ensamble de movimiento rotatorio 120 es aquella porción del mecanismo de impulsión rómbico 36 que ocasiona la rotación alrededor de un eje fijo y, en la modalidad mostrada en la figura 8, consta de un primer engranaje de distribución 126 que gira con un primer eje de motor 128 y un segundo engranaje de distribución 130 que gira con un segundo eje de motor 132. El mecanismo de conexión superior 122 está diseñado de tal manera con respecto a la orientación del motor 28 como se representa en la figura 2 y constituye el acoplamiento mecánico entre el ensamble de movimiento rotatorio 120 y la primera biela 48. En la modalidad mostrada, el mecanismo de conexión superior 122 acopla el movimiento rotatorio del ensamble del movimiento rotatorio 120 al movimiento lineal del émbolo de potencia 30; sin embargo, en otras modalidades el mecanismo de conexión superior 122 se puede acoplar, en cambio, al movimiento lineal del desplazador 32. El mecanismo de conexión superior 122 está acoplado al ensamble de movimiento rotatorio 120 excéntricamente con respecto a los ejes de motor 128 y 132, por ejemplo a través de las conexiones 134. En una modalidad representada en la figura 2, las conexiones 134 están acopladas en los pivotes 136 a la conexión cruzada 138, que está acoplada directamente a la biela 48. Otros medios de acoplar el ensamble de movimiento rotatorio 120 a la biela 48 son fácilmente evidentes para los expertos en la técnica de la mecánica y está similarmente dentro del alcance de las reivindicaciones anexadas. El mecanismo de conexión inferior 124 acopla similarmente el movimiento rotatorio del ensamble de movimiento rotatorio 120 a la biela 50 a través de conexiones y pivotes no evidentes en la figura 8. Durante la fase de expansión del ciclo Stírling descrito anteriormente, se expande el fluido de trabajo en el extremo caliente 140 del desplazador 32, adquiriendo calor de la parte exterior 28 a través del calentador 64. Se discuten posteriormente diferentes configuraciones del calentador 64 englobadas dentro del alcance de modalidades de la presente invención. Se transfiere entonces subsiguientemente el fluido de trabajo calentado al volumen de compresión 142 entre el desplazador 32 y el émbolo de potencia 30 mediante su paso a través del regenerador 66 en donde el calor es tomado del fluido de trabajo y absorbido por el regenerador 66. Durante la fase de compresión descrita anteriormente, el calor es transferido del fluido de trabajo al espacio ambiente por el enfriador 68. En una modalidad de la invención, el cigüeñal 46 está cerrado herméticamente y contiene el mismo fluido que sirve de fluido de trabajo para el motor de ciclo Stirling. El fluido de trabajo es típicamente helio, aunque el uso de otros fluidos está dentro del alcance de las reivindicaciones de esta invención. Se puede lograr enfriamiento adicional mediante la circulación del fluido de trabajo del volumen de trabajo al cigüeñal. Un método para proveer enfriamiento adicional, de acuerdo con una modalidad de la invención, es proveer un enfriador para transferir calor del fluido del cigüeñal al medio ambiente y una bomba para hacer circular el fluido del cigüeñal al enfriador y de vuelta al cigüeñal. En una modalidad alternativa de la invención, se puede ionizar el fluido de trabajo en el motor Stirling. Un mecanismo de ionización, por ejemplo, es el uso de un método de descarga incandescente o similar, aunque la ionización por luz ultravioleta o radiación resonante están también dentro del alcance de las reivindicaciones anexadas. Una vez que se haya ionizado el fluido de trabajo, se puede mover electromagnéticamente sobre distancias pequeñas. Esto permite que se obturen los émbolos usando un campo magnético. Se puede efectuar también electromagnéticamente la función de desplazador en el movimiento de fluido entre la sección caliente y la sección fría del motor. Así, el desplazador 32 no necesita ser un componente mecánico. Las obturaciones de tolerancia justas para reducir al mínimo el flujo del fluido del trabajo más allá del émbolo 30 y del desplazador 32 requieren el centrado de los respectivos émbolos dentro del orden de 25.4 µm en el barreno de la camisa de cilindro 42. Se puede efectuar la provisión de este centrado por maquinación de alta tolerancia de todos los componentes que alinean el mecanismo de impulsión o, alternativamente, por ajuste fino durante el ensamble. Cualquiera de las dos opciones entraña procedimientos complicados y gastos. De acuerdo con una modalidad de la invención, se añaden juntas flexibles dentro de las bielas 48 y 50 para permitir que el eje se desvíe o incline a un ángulo pequeño y que los émbolos 30 y 32 funcionen como es de esperarse en el barreno. Las pequeñas desalineaciones ya no son por lo tanto críticas y las desalineaciones de menos de 2.54 µm no causarán carga lateral apreciable sobre las obturaciones. Esta modalidad es particularmente adecuada para la disposición de conexión en triángulo discutida posteriormente con referencia a la figura 11. Haciendo referencia ahora a las figuras 9a-9d, se pueden reducir las pérdidas mecánicas y se puede prolongar la duración del mecanismo de impulsión reduciendo al mínimo la carga de presión sobre el émbolo de potencia 30. Dos mecanismos dan origen a cargas de presión sobre el émbolo de potencia 30, convirtiendo uno la salida de energía del motor, no teniendo el otro efecto en la salida de energía. El movimiento cíclico del émbolo desplazador 32 calienta y enfría el fluido de trabajo causando cambios de la presión del fluido en el volumen de compresión 142. Puesto que estos cambios de presión son de aproximadamente 90°C fuera de fase con el movimiento del émbolo de potencia 30, originan una salida neta de trabajo del motor. Por otra parte, el movimiento del émbolo de potencia 30 causa recorridos de presión directamente en fase con el movimiento del émbolo, no contribuyendo así a la salida de trabajo del motor. Para aumentar al máximo la potencia del motor para una carga de impulsión dada, se debe aumentar al máximo la fracción del recorrido de presión total causado por el movimiento del émbolo desplazador 32. Para esta finalidad, de acuerdo con una modalidad de la invención, se provee un émbolo desplazador 32 que tiene un diámetro mayor que el diámetro del émbolo de potencia 30, como se muestra en las figuras 9a-9d en fases sucesivas del ciclo Stirling. Se conocen émbolos de diámetros diferentes en motores que tienen barrenos separados, tales como el motor Stirling 10 mostrado en las figuras 1a-1d. Proveyendo émbolos de diámetros diferentes en el motor de tipo beta de las figuras 8 y 9a-9d, en el cual los émbolos son cuaxiales y comparten el mismo volumen recorrido sobre cierta presión de su carrera, se logra el beneficio de recorridos de presión más bajos procedentes de un desplazador de diámetro mayor mientas que, al mismo tiempo, proveyendo las ventajas del motor tipo beta de bajo volumen muerto y alta relación de compresión. Las configuraciones alfa, beta y gama son bien conocidas por los expertos en la técnica máquinas de ciclo Stirling. Haciendo referencia ahora a la figura 10, se conoce un mecanismo rómbico de la técnica anterior, designado generalmente con el número 150. Aquí, el ensamble de movimiento rotatorio 120 está constituido por los contrapesos 122 y 124 y los engranajes de distribución 126 y 128. En el diseño de la técnica anterior, el contrapeso 122 y el engranaje de distribución 126 giran conjuntamente; sin embargo el eje 130 no puede pasar a través tanto del contrapeso 122 como del engranaje de distribución 126 debido al requisito de espacio libre del paso de conexión 132 montado excéntricamente y el brazo de conexión correspondiente (no mostrado) del mecanismo de conexión inferior. Según lo anterior, se debe "dividir" el eje 130, con las ventajas mecánicas concomitantes. En la figura 11 , de acuerdo con una modalidad de la invención, se muestra el eje 130 pasando a través tanto del contrapeso 122 como del engranaje de distribución 126. Se efectúa esto proveyendo un acoplamiento excéntrico del paso de conexión 132 al ensamble de movimiento rotatorio a través de un movimiento rotatorio largo 134 que permite que el eje 130 pase a través del cojinete rotatorio grande 134 como eje continuo. El uso de un eje continuo puede mejorar la rigidez del mecanismo, contribuir a la facilidad de ensamble preciso y reducir el costo del motor. Este mecanismo de conexión mostrado en la figura 11 es una llamada "disposición de conexión trapezoidal", en el sentido de que cada uno del brazo de conexión 132 y el brazo de conexión 136, montados excéntricamente a las ruedas o los contrapesos respectivos del ensamble de movimiento rotatorio, está acoplado a una conexión cruzada (o "plataforma") 138 en los pivotes 140. La conexión cruzada 138 impulsa, en cambio, la biela 48. Una desventaja de esta disposición es que la conexión cruzada 138 puede oscilar de uno a otro lado conforme la biela 48 se traslada linealmente. El mecanismo de impulsión es dependiente por lo tanto de las obturaciones del émbolo 30 (mostrado en la fitura 8) y la biela 50 para eliminar el grado oscilante de libertad. Como resultado, cualquier desequilibrio en el mecanismo de impulsión originará una fuerza lateral sobre las obturaciones, aumentando la flexión y el desgaste del obturador. Haciendo referencia ahora a la figura 12, en una modalidad de la invención, el brazo de conexión 132 y el brazo de conexión 136 están acoplados uno a otro en un pivote 142 más bien que a través de una conexión cruzada separada como la disposición de conexión trapezoidal de la figura 11. Se hace referencia a la disposición de conexión en la cual los brazos de conexión 136 y 132 están acoplados a un solo pivote 142 común, como una disposición de "conexión en triángulo" o de "conexión en delta". Reduciendo un grado de libertad del movimiento lateral, la disposición de conexión en triángulo puede reducir la duración y el desgaste, permitir el uso de piezas de flexión en línea con las bielas 48 y 50 (mostradas en la figura 2) y puede aumentar la duración del motor. Puesto que la rotación de los brazos de conexión 132 y 136 no es completa, el acoplamiento en el pivote 142 no permite necesariamente la rotación completa a 360° y puede ser una pieza de flexión. Similarmente, las piezas de flexión pueden constituir el acoplamiento de brazos de conexión o el acoplamiento entre una conexión cruzada y los brazos de conexión. Se pueden usar piezas de flexión, empleando capacidad de rotación incompleta, para proveer confiabilidad incrementada del motor. De acuerdo con una modalidad de la invención, uno o más de los pivotes entre los pares de brazos de conexión o, adicionalmente, uno o más de los cojinetes rotatorios, emplean cojinetes ferroflúidícos, permitiendo así intervalos de mantenimiento más prolongados entre los reemplazos de pivotes o cojinetes. Los obturadores ferroflúidicos usan campos magnéticos para contener aceite que se ha sembrado con partículas pequeñas de un material ferromagnético. Se usan tales obturadores comúnmente para obturar permanentemente la lubricación dentro de los cojinetes de bola o los bujes. Usando cojinetes ferroflúidicos, se puede eliminar la fricción de los obturadores de cojinete que rozan.

Haciendo referencia adicional con la figura 12, de acuerdo con una modalidad de la invención, dos engranajes de distribución 144 y 146 están montados sobre el eje de motor 130 del ensamble de movimiento rotatorio, con los correspondientes engranajes de distribución de contragiro 150 y 152, montado sobre el eje de motor 158. Los engranajes 144 y 146, junto con sus correspondientes engranajes 150 y 152 sobre el eje de motor 158 son engranajes helicoidales. Los pasos de las hélices de los engranajes 144 y 146 pueden ser compensadores, creando así efectivamente un engranaje de distribución con un patrón helicoidal. Se usa comúnmente este tipo de engranaje para reducir el ruido a la vez que se eliminan las fuerzas laterales asociadas con los engranajes helicoidales. Una ventaja adicional de este diseño es que se puede ajustar la separación entre los engranajes 144 y 146 por medio de un calce de ajuste, o de otra manera, proveyendo así ajuste fino en la fase relativa de los dos ejes. Esto provee una manera sencilla de afinar el ángulo de fase durante el ensamble. Haciendo referencia ahora a la figura 13, se puede reducir la vibración y el desgaste manteniendo una carga lateral constante sobre los cojinetes, una banda de resorte, designada generalmente con el número 160. Fabricando bandas de resorte de acero para resorte o un material similar, se pueden cargar previamente los cojinetes, típicamente, con 4.536 a 9.072 kg de tensión. La banda 160 provee carga lateral del cojinete rotatorio 134 y el soporte del cojinete de pivote de conexión superior 142. La figura 14 representa una vista lateral en sección transversal de un émbolo desplazador 32 y la porción correspondiente de la camisa de cilindro 42. Una gran fracción de las pérdidas en las pequeñas máquinas Stirling se origina en el intersticio anular 160, al cual se hace referencia como el "intersticio de apéndice", que rodea el émbolo desplazador 32. Dos mecanismos dan origen a estas pérdidas: la primera, la llamada "pérdida de vaivén" es conducción de calor abajo hacia la pared 42 del cilindro realzada por el movimiento cíclico del desplazador 32. Esto es un resultado directo del gran gradiente de temperatura a lo largo de la pared 162 del desplazador 32 y la pared 42 del cilindro. En la carrera media del desplazador, tanto la pared de desplazador 62 como la camisa de cilindro 42 tienen el mismo gradiente de temperatura axial, aproximadamente 648.8°C en la parte superior y 26.6°C en la parte inferior, en el caso de un motor. La temperatura en todos los puntos sobre la camisa de cilindro será la misma que la del punto correspondiente sobre la pared del desplazador directamente a través del intersticio de apéndice. Cuando el desplazador se mueve a la parte superior de su carrera, sin embargo, las temperaturas ya no están equiparadas. El cilindro estará a una temperatura más alta que el punto correspondiente sobre el desplazador, de modo que el calor fluirá desde la camisa, a través del helio en el interstico de apéndice, a la pared del desplazador. Lo inverso ocurre cuando el desplazador está en la parte inferior de su carrera. Se transfiere calor de la parte trasera del desplazador al cilindro, pero en una ubicación más abajo de la pared y más cerca del enfriador. Se hace referencia a esto también como la pérdida de "brigada de cubo"; el desplazador absorbe calor del lado caliente y lo transfiere cíclicamente hacia el lado frío. El efecto es inversamente proporcional al tamaño del intersticio entre el émbolo desplazador y la pared de cilindro.

El segundo efecto se llama típicamente "pérdida de bombeo". Debido a las variaciones de presión dentro del motor, el fluido procedente del espacio de expansión fluye hacia dentro y hacia fuera del intersticio de apéndice durante cada ciclo. El helio fluye hacia el intersticio, emite parte de su calor a las paredes del cilindro, después vuelve a fluir desde el intersticio a una temperatura ligeramente más fría. Esto representa otra pérdida termodinámica en el ciclo; se transfiera calor del lado caliente al frío sin contribuir con ningún trabajo. El calor perdido para este efecto es directamente proporcional al tamaño del intersticio. El tamaño del intersticio de apéndice se basa por lo tanto en reducir al mínimo la suma de la pérdida de vaivén y la pérdida de bombeo. Sin embargo, incluso cuando se optimiza apropiadamente, la suma de estas pérdidas es típicamente el 10% de la energía de entrada para motores pequeños. De acuerdo con una modalidad de la invención, se reduce esta pérdida añadiendo una sección corta de material degenerativo 164 en la entrada al intersticio de apéndice 160. Este material podría ser filtro de metal, tamices estratificados o cualquiera de un número de materiales porosos con grandes áreas de superficie humedecidas usadas típicamente para regeneración. Se pueden hacer tales regeneradores, cuando están dimensionados apropiadamente, hasta el 99% efectivos. Cualquier intersticio anular estrecho provisto en la pared del émbolo desplazador 32 para reducir al mínimo el componente reversible del flujo de calor entre el extremo caliente de la camisa de cilindro y el cuerpo del émbolo desplazador cae también dentro del alcance de la estructura a la cual se hace referencia en la presente como "anillo de regenerador". Como resultado de la presencia del anillo de regenerador, el gas que entra y sale del intersticio de apéndice está muy cercanamente a la misma temperatura, independientemente del tamaño del intersticio. Esto sirve para reducir la pérdida de bombeo permitiendo que se use un mayor intersticio de apéndice para reducir la pérdida de vaivén. El resultado neto puede ser un gran aumento de la eficiencia del motor, arriba del 3 o del 4% para motores pequeños. En el caso de refrigeradores de ciclo Stirling, el obturador está en un extremo caliente, de modo que se coloca el material regenerativo en la entrada fría del intersticio anular. Las figuras 15-17 representan esquemas del flujo de calor desde el quemador 170 usado para quemar un combustible a fin de proveer calor a la cabeza calentadora 64 (mostrada en la figura 2) del motor Stirling. Típicamente, el aire, a temperatura ambiente, provee el oxidante en el cual el combustible se quema en el quemador 170. Hay todavía una cantidad considerable de energía dejada en los gases de combustión después de que se ha calentado la cabeza calentadora 64 y, como saben los expertos en la técnica, se puede usar el intercambiador de calor 162 para transferir calor de los gases de escape al aire de combustión antes de su introducción al quemador 170. Se muestran en la figura 15 los números típicos aplicables al calentamiento de combustión previa de la técnica anterior. Se usan gases de combustión previa a ~2000°K (se dan las temperaturas en grados Kelvin) para calentar el fluido de trabajo del motor Stirling a una temperatura de ~950°K, dejando el gas escape a 1200°K, demasiado caliente para disiparse al medio ambiente. El intercambiador de calor 172 elimina calor del gas de escape y lo transfiere al aire de combustión previa, calentando el aire de combustión previa a ~900°K, y dejando el escape a ~600°K, todavía demasiado caliente para ser disipado con seguridad sin mayor dilución con el aire ambiente. Haciendo referencia a la figura 15, se usa típicamente un ventilador o un soplador para hacer entrar el aire a través del quemador 170 a fin de proveer calor al calentador 64 del motor Stirling. Tanto los ventiladores como los sopladores, sin embargo, tienen bajas eficiencias. Como resultado, se consume típicamente una fracción de la salida de energía de un motor para mover el aire requerido para la combustión. La figura 16 representa un diagrama esquemático de una modalidad adicional de la presente invención de acuerdo con la cual se puede convertir parte de la energía dejada en el gas de escape después de su paso a través del intercambiador de calor 172, a energía eléctrica mediante el generador eléctrico 174 que suministra energía a un soplador eléctrico 176. La figura 17 representa el uso de gases de escape calientes, de acuerdo con una modalidad alternativa adicional todavía de la invención, para suministrar energía o un turboexpansor 180 que impulsa un turbocompresor 182 para propulsar los gases de combustión al quemador 170. Haciendo referencia ahora a la figura 18a, en una modalidad de la presente invención, se usa combustible gaseoso de alta tensión, tal como propano, para arrastrar el flujo de aire que se necesita a través del amplificador de aire designado generalmente con el número 184. Como se sabe en la técnica de la dinámica de gases, el amplificador de aire 184 usa un pequeño flujo de aire a alta presión para arrastrar flujo mucho más grande de aire ambiente. Se describe el principio de operación de un amplicador de gas con referencia a la figura 18b. Se dirige el combustible alta tensión, tal como propano, por ejemplo, del volumen 192 a lo largo de una pared curvada 194 creando un chorro de pared 196 de combustible que arrastra los gases ambientes 198 y provee un foco grande de 200 de propano y aire bien mezclados que se mueven a una velocidad menor que el chorro de pared 196. El chorro de pared 196 a alta velocidad de propano se mezcla o arrastra el gas 198 que se mueve lentamente arriba en el mismo, transfiriendo cantidad de movimiento y acelerando el gas arrastrado. Así, crece en volumen una capa límite 202 y disminuye velocidad de transporte neta conforme se arrastra más y más gas ambiente. El gas ambiente 198 arrastrado que sale con el chorro de propano 196 genera una baja presión que jala aire fresco en el amplificador de aire 184. Así, el chorro de propano 196 a alta presión bombea aire efectivamente a través del amplificador de aire 184. El flujo resultante del gas cercano a presión ambiente puede ser, típicamente, 10-40 veces más grande que el flujo de gas a alta presión. Haciendo referencia nuevamente a la figura 18a, se puede usar propano, a presiones en el intervalo típico de 1.41-7.03 kg/cm2 manométricos, como el gas de alta presión, y el amplificador de aire 184 bombeará aire a través del quemador y a la vez mezclará el combustible y el aire antes de que entren al quemador 170. Esto elimina la necesidad de un soplador (o reduce el tamaño de cualquier soplador requerido), usando, en cambio, la energía almacenada en el combustible gaseoso a alta presión que de otra manera se desperdiciaría. Igualmente importante, se puede emplear el amplificador de aire para mantener la relación correcta del combustible al aire sin controles de aire y puede permitir además la incorporación simplificada de la recirculación de gas de escape a fin de reducir la emisión de óxidos de nitrógeno, ya que el pleno de baja presión 188 induce cierta cantidad de gas de escape. La figura 19a representa el principio de aumentar la eficiencia con la cual la cabeza calentadora 64 es calentada por los gases calientes designados por las flechas punteadas que tienen el número 300. Se calientan los gases en el procedimiento de combustión mediante el cual se quema el combustible en el aire, como se describe anteriormente con referencia a las figuras 15-18, a temperaturas típicas en el orden de 2000°K. Los gases 300 quemados fluyen más allá de las aletas 302, transfiriendo así energía térmica a las aletas por convección, enfriando así el gas y calentando las aletas. Se radía luego energía térmica absorbida por las aletas 302 a la cabeza calentadora 64 del motor Stirling que opera a una temperatura más baja, típicamente en el orden de 950°K. El gas 304 que sale de las aletas 302 está a una temperatura ligeramente más alta que la de las aletas. Típicamente, la temperatura de las aletas y del gas emergente está en el orden de 1400°K. Se dirige el gas 304 más allá de la cabeza calentadora 64 y transfiere más energía térmica a la cabeza calentadora por convección. Haciendo referencia ahora a la figura 19b, una modalidad alternativa de la invención permite que la energía térmica radiada por las aletas 302 no solamente caliente la cabeza calentadora 64 si no que transfiera energía térmica directamente al espacio interior 306 del motor Stirling. Si logra esto fabricando la cabeza calentadora 64 de materiales substancialmente transparente a la radiación térmica a la temperatura (en el orden de 1400°K) de las aletas 302 radiantes, la cual equivale a decidir, en la radiación infrarroja. Tales materiales incluyen, por ejemplo, cerámicas transparentes a la radiación infrarroja tales como espinela de aluminato de magnesio, oxinitruro de aluminio y materiales cristalinos tales como itrio implificado con lantano. La energía térmica radiada por las aletas 302 es absorbidas subsiguientemente por la hoja corrugada 308 dispuesta dentro del espacio interior 306 del motor Stirling. Se trata la hoja corrugada 308 para que actúe como absorbedor de cuerpo negro, usando técnicas bien conocidas por personas de habilidad ordinaria en la óptica infrarroja, y transfiere calor subsiguientemente por convección al fluido de trabajo de motor. Haciendo referencia ahora a las figuras 19c y 19d, se representa una estructura novedosa, de acuerdo con una modalidad de la presente invención, para transferir grandes cantidades de calor de la fuente de combustión al interior del motor de ciclo Stirling 28, mostrado en sección transversal. A fin de aumentar la eficiencia de la transferencia de calor procedente de los gases calientes 300, generados por el quemador 150, al fluido de trabajo contenido en el volumen interior 306 de motor, se requiere un área de superficie humedecida grande, de cualquier lado de la cabeza calentadora 64. Para lograr el área de superficie extensa, se fabrica un gran número de clavijas de metal 310 de metal sobre la superficie interior 312 como la superficie exterior 314 de la cabeza calentadora 64. Se puede efectuar la fabricación a bajo costo, tal como por colada de inversión. Las clavijas de metal 310 no solamente aumentan el área de superficie humedecida de cualquiera de los lados de la cabeza calentadora 64, sino que crean también estelas turbulentas que aumentan el mezclado del fluido y que aumentan por lo tanto además el flujo de calor. Se puede emplear también esta estructura para la transferencia de calor del enfriador 68 (mostrado en la figura 2) o en cualquier aplicación en la cual se requiera la transferencia de calor eficiente entre volúmenes de gases. En las figuras 20a-20b, se muestra una vista lateral de un émbolo obturado con fuelle, designado generalmente con el número 400. Haciendo referencia ahora la figura 20a, de acuerdo con una modalidad alternativa de la presente invención, se puede usar el fuelle 400 para proveer obturación entre el volumen de trabajo 402 y el volumen de cigüeñal 404. Aunque se podrían usar fuelles de metal flexibles para esta aplicación, son costosos y difíciles de fabricar. En cambio, se usa el diferencial de presión (excediendo siempre la presión p1 en el volumen de trabajo 402 la presión p2 en el volumen de cigüeñal 404) para mantener juntos los elementos del fuelle. La diferencia de presión hace que se separe la junta convexa 406 entre las circunvulsíones 408 y 410, mientras se comprime la junta cóncava 412 entre las circunvulsiones 410 y 414. Se unen las juntas convexas 406 mecánicamente, por ejemplo soldando directamente o en fuerte, de manera que resistan las fuerzas de separación. Las juntas cóncavas 412, como se muestra en al figura 20b tienen superficies que se engoman para proveer buena obturación contra el gas. Las ventajas de esta disposición incluyen una provisión de un cierre hermético entre el volumen de trabajo y el cigüeñal con la posible excepción de un orificio para conectar una bomba para someter a presión el volumen de trabajo. Puesto que solamente una junta de cada segmento 414 es estructural sobre cada par de circunvoluciones de fuelle, se simplifica la fabricación. Se pueden aplicar los dispositivos y los métodos descritos en la presente, en otras aplicaciones además del motor Stirling en términos del cual se ha descrito la invención. Se pretende que las modalidades descritas en la invención sean meramente ejemplares y serán evidentes para los expertos en la técnica numerosas variaciones y modificaciones. Se pretende que todas las tales variaciones y modificaciones estén dentro del alcance de la presente invención tal como se define en las reivindicaciones anexadas.

Claims (22)

NOVEDAD DE1.A INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1.- Un mecanismo de impulsión rómbico para ¡nterconvertir el movimiento rotatorio y el movimiento lineal alternante de una primera y una segunda biela, teniendo el movimiento lineal de la primera biela una relación de fase con el movimiento lineal de la segunda biela, en donde el mecanismo de impulsión rómbico comprende: a) un ensamble de movimiento rotatorio que tiene un primero y un segundo eje de motor; b) un mecanismo de conexión superior para transmitir movimiento del ensamble de movimiento rotatorio a la primera biela, comprendiendo el mecanismo de conexión superior: i) un primer brazo de conexión superior que tiene un primer extremo acoplado excéntricamente alrededor del primer eje de motor y un segundo extremo; y ii) un segundo brazo de conexión superior que tiene un primer extremo acoplado excéntricamente alrededor del segundo eje de motor y un segundo extremo acoplado flexiblemente a través de un pivote común al segundo extremo del primer brazo de conexión superior, siendo el pivote común una pieza de flexión; y c) un mecanismo de conexión inferior para transmitir movimiento del ensamble de movimiento rotatorio a la segunda biela, comprendiendo el mecanismo de conexión inferior por lo menos dos conexiones acopladas excéntricamente a los ejes de motor por medio de cojinetes rotatorios.

2.- Un mecanismo de impulsión rómbico para interconvertír el movimiento rotatorio y el movimiento lineal alternante de una primera y una segunda biela, teniendo el movimiento lineal de la primera biela una relación de fase con el movimiento lineal de la segunda biela, en donde el mecanismo de impulsión rómbico comprende: a) un ensamble de movimiento rotatorio que tiene dos ejes de motor; b) un mecanismo de conexión superior para transmitir el movimiento del ensamble de movimiento rotatorio a la primera biela, comprendiendo el mecanismo de conexión superior por lo menos dos conexiones acopladas excéntricamente a los ejes de motor por medio de cojinetes rotatorios; y c) un mecanismo de conexión inferior para transmitir el movimiento del ensamble de movimiento rotatorio a la segunda biela, comprendiendo el mecanismo de conexión inferior por lo menos dos conexiones acopladas excéntricamente a los ejes de motor por medio de cojinetes rotatorios, en donde por lo menos una biela está acoplada por lo menos a un émbolo por medio de un acoplamiento de junta de flexión.

3.- Un mecanismo de impulsión rómbico para interconvertir el movimiento rotatorio y el movimiento lineal alternante de una primera y una segunda biela, teniendo el movimiento lineal de la primera biela una relación de fase con el movimiento lineal de la segunda biela, en donde el mecanismo de impulsión rómbico comprende: a) un ensamble de movimiento rotatorio que tiene dos ejes de motor; b) un mecanismo de conexión superior para transmitir el movimiento del ensamble de movimiento rotatorio a la primera biela, comprendiendo el mecanismo de conexión superior por lo menos dos conexiones acopladas excéntricamente a los ejes de motor por medio de cojinetes rotatorios; y c) un mecanismo de conexión inferior para transmitir el movimiento del ensamble de movimiento rotatorio a la segunda biela, comprendiendo el mecanismo de conexión inferior por lo menos dos conexiones acopladas excéntricamente a los ejes de motor por medio de cojinetes rotatorios; d) un primer engranaje de distribución montado concéntricamente al primer eje de motor; y e) un segundo engranaje de distribución montado concéntricamente al segundo eje de motor de tal manera que el primer engranaje de distribución y el segundo engranaje de distribución interactúan y contragiran, en donde cada uno del primero y el segundo engranaje de distribución incluye un apilamiento de dos engranajes helicoidales montados coaxialmente con pasos de compensación.

4.- Un mecanismo de impulsión rómbico de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque el primero y el segundo engranaje de distribución incluyen también calces de ajuste que separan los engranajes helicoidales para el ajuste fino de fase entre los movimientos de la primera y la segunda biela.

5.- Un mecanismo de impulsión rómbico de conformidad con la reivindicación 3, que incluye además por lo menos dos bandas de resorte para cargar previamente los cojinetes rotatorios.

6.- En una máquina de ciclo Stirling del tipo en el cual un émbolo y un desplazador que tienen un extremo a alta temperatura y un extremo a baja temperatura experimentan movimiento alternante dentro de un cilindro en el cual se calienta gas en un primer extremo al cilindro por medio de una cabeza calentadora, el mejoramiento comprende un anillo de regenerador que rodea el extremo a alta temperatura del desplazador.

7.- En un refrigerador de ciclo Stirling del tipo en el cual un émbolo y un desplazador que tienen un extremo a alta temperatura y un extremo a baja temperatura experimentan movimiento alternante dentro de un cilindro en el cual se enfría el gas en un primer extremo del cilindro por medio de un enfriador, el mejoramiento comprende un anillo de regenerador que rodea el extremo a baja temperatura del desplazador.

8.- En una máquina de ciclo Stirling del tipo en el cual un émbolo y un desplazador que tienen un extremo a alta temperatura y un extremo a baja temperatura experimentan movimiento alternante dentro de un cilindro en el cual se calienta un fluido de trabajo en un primer extremo del cilindro por medio de una cabeza calentadora, el mejoramiento comprende un radiador dispuesto circunferencialmente con respecto a la cabeza calentadora para transferir el calor a la cabeza calentadora por radiación.

9.- En una máquina de ciclo Stirling de conformidad con la reivindicación 8, el mejoramiento incluye además un radiador que comprende un apilamiento de miembros radiantes dispuestos circunferencialmente con respecto a la cabeza calentadora.

10.- Una máquina de ciclo Stirling de conformidad con la reivindicación 8, caracterizada además porque el mejoramiento es que los miembros radiantes son aletas.

11.- En un motor de ciclo Stirling de conformidad con la reivindicación 8, el mejoramiento comprende además una cabeza calentadora de cerámica transparente a la radiación térmica.

12.- En un motor de ciclo Stirling de conformidad con la reivindicación 11 , en el cual el mejoramiento es el que selecciona la cabeza cerámica entre los materiales de espinela de aluminato de magnesio, oxinitruro de aluminio e itrio impurificado con lantano.

13.- En un motor de ciclo Stirling de conformidad con la reivindicación 11 , el mejoramiento incluye además una hoja corrugada dentro del cilindro para absorber la radiación térmica transmitida a través de la cabeza calentadora y transferir calor al fluido de trabajo por convección.

14.- En una máquina del tipo en el cual un émbolo experimenta movimiento alternante dentro de un cilindro, variando así el volumen de un fluido de trabajo, el mejoramiento comprende: a) un ionizador para suministrar el fluido de trabajo localmente ionizado a la proximidad de la interfaz entre el émbolo y el cilindro; y b) un campo magnético que rodea el émbolo para impedir el flujo del fluido de trabajo más allá del émbolo.

15.- En una máquina de ciclo Stirling del tipo que comprende una sección calentada y una sección enfriada en la cual un fluido de trabajo experimenta ciclos de calentamiento y enfriamiento, el mejoramiento comprende: a) un ionizador para ionizar el fluido de trabajo; y b) un desplazador electromagnético para mover el fluido de trabajo entre la sección calentada y la sección enfriada de la máquina.

16.- En un motor Stirling del tipo en el cual se hace entrar aire y combustible a un quemador en el cual la combustión del aire y el combustible calienta una cabeza calentadora y produce gas de escape caliente, el mejoramiento comprende un convertidor termoeléctrico para extraer energía eléctrica del gas de escape caliente.

17.- En un motor Stirling del tipo en el cual se hace entrar aire y combustible a un quemador en el cual la combustión del aire y el combustible calienta una cabeza calentadora y produce gas de escape caliente, el mejoramiento comprende un turbocompresor impulsado por el gas de escape caliente para hacer entrar el aire al quemador.

18.- En un motor Stirling del tipo en el cual se hace entrar aire y combustible a un quemador en el cual la combustión del aire y el combustible calienta una cabeza calentadora y produce gas de escape caliente, el mejoramiento comprende un refrigerador de adsorción suministrado de energía por el gas de escape caliente para enfriar el motor Stirling.

19.- En un motor Stirling del tipo en el cual se hace entrar aire y combustible gaseoso sometido a presión a un quemador y en el cual la combustión del aire y el combustible gaseoso sometido a presión calienta la cabeza calentadora, el mejoramiento comprende un amplificador impulsado por el gas de combustible sometido a presión para transportar el aire para su suministro al quemador.

20.- En un motor Stirling de conformidad con la reivindicación 19, el mejoramiento en el cual el amplificador de aire induce además gas de escape al quemador.

21.- Una máquina de ciclo Stirlíng que comprende: a) un émbolo de potencia que experimenta movimiento lineal alternante dentro de un cilindro, teniendo el émbolo de potencia un primer diámetro y recorriendo un volumen dentro del cilindro; b) un émbolo desplazador que experimenta movimiento lineal alternante coaxial con el movimiento lineal alternante del émbolo de potencia, recorriendo el émbolo desplazador un volumen por lo menos parcialmente común con el volumen recorrido por el émbolo de potencia, teniendo el émbolo desplazador un segundo diámetro mayor que el primer diámetro; y c) un fluido de trabajo contenido dentro de los volúmenes recorridos por el émbolo de potencia y el émbolo desplazador, experimentando el fluido de trabajo ciclos sucesivos de calentamiento, expansión, enfriamiento y comprensión.

22.- Un método para fabricar un fuelle que tiene una serie de circunvoluciones para separar una región que tiene una primera presión de gas de una región que tiene un segunda presión de gas, excediendo la primera presión de gas la segunda presión de gas, comprendiendo el método: a) juntar mecánicamente los segmentos alternantes en una primera pluralidad de juntas que se extienden a la región que tiene la segunda presión de gas; y b) obturar los segmentos alternantes en una segunda pluralidad de juntas que se extienden a la región que tiene la primera presión de gas.