NL194377C

NL194377C - Koelsysteem voor een stirlingmotor.

Info

Publication number: NL194377C
Application number: NL9001730A
Authority: NL
Original assignee: Gold Star Co
Priority date: 1990-07-20
Filing date: 1990-07-31
Publication date: 2002-02-04
Also published as: US5056316A; SE467421B; SE9002472L; SE9002472D0; NL9001730A; NL194377B

Description

1 194377

Koelsysteem voor een stirlingmotor

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een stirlingmotor omvattende een vermogenskamer, regenerator, lichtvoorverhitter alsmede een koelsysteem.

5 In het algemeen maakt een stirlingmotor van een zodanige karakteristiek gebruik, dat, wanneer een gas verwarmd wordt binnen een hermetisch afgedichte houder, de druk daarbij toeneemt, en wanneer deze afgekoeld wordt de druk afneemt, en een dergelijke stirlingmotor zal onder verwijzing naar de bijgevoegde tekeningen onderstaand in detail worden beschreven.

Een dergelijke stirlingmotor is bekend uit het Duitse Offenlegungsschrift 2.025.262. Daaruit is een 10 gecompliceerd koelstelsel bekend bestaande uit een groot aantal elementen zoals een warmtewisselaar, pompinrichting en radiator.

Het is het doel van de onderhavige uitvinding een dergelijke constructie te vereenvoudigen en waarbij een continue toevoer van koelwater niet nodig is en waarbij warmte welke weggekoeld Is uit het arbeids-medium, teruggewonnen wordt, zodat het thermisch nuttig effect verbeterd kan worden.

15 Dit doel wordt bij een hierboven beschreven stirlingmotor verwezenlijkt doordat dat koelsysteem een thermo-elektrische warmtepomp omvat, welke gevormd is in de vorm van een houder, en welke, wanneer gelijkstroom aangelegd is en het binnenzijgedeelte afgekoeld wordt en het buitenzijgedeelte verhit wordt, verbonden is met een koelpijp welke een vermogenskamer en de regenerator met elkaar verbindt, en waarbij koelwater gevuld is in het inwendige ervan.

20 De thermisch elektrische waterpomp is zodanig geconstrueerd dat hij de vorm van een houder heeft en inwendig gevuld is met koelwater, en dat ten minste een koelpijp verbonden Is met het inwendige van genoemde thermo-elektrische warmtepomp, zodat het arbeidsmedium stroomt door die koelpijp. De thermo-elektrische warmtepomp is op zodanige wijze geconstrueerd dat de binnenzijde van het omtreksop-pervlak gekoeld wordt en de buitenzijde verwarmd wordt overeenkomstig de gelijkstroom die aangelegd is 25 door het elektrisch verbinden met een elektrische vermogensbron voor gelijkstroom, en dat een aantal vinnen voor de warmte-overdracht zijn aangebracht op de uitwendige omtrek van de hoofdwand.

Volgens het koelsysteem van de uitvinding, wordt gelijkstroom gevoed aan de thermo-elektrische warmtepomp wanneer de stirlingmotor in bedrijf is, en wordt koelwater aanwezig in het inwendige erVan gekoeld en wordt het arbeidsmedium gekoeld door het koelwater terwijl het passeert door de koelpijpen. En 30 koellucht wordt gevoed en geleid naar de koelkamer rond de koeler waardoor de koelkamer afgekoeld wordt, en aldus wordt voorverwarmde lucht gevoerd door de luchtvoorverwarmer naar de verbrandings-kamer. Daardoor wordt het koel-nuttig effect van het arbeidsmedium volgens de uitvinding verbeterd en gelijktijdig het verbrandings-nuttig effect van de brandstof verbeterd, waardoor het thermisch nuttig effect van de motor verbeterd wordt 35

De uitvinding zal hieronder nader aan de hand van een in de tekening afgebeeld uitvoeringsvoorbeeld verduidelijkt worden. Daarbij tonen: figuur 1 een schematische dwarsdoorsnede van de stirlingmotor volgens de uitvinding; figuur 2 een gedeelte op vergrote schaal in dwarsdoorsnede langs de lijn A-A van figuur 1; en 40 figuur 3 een schematische dwarsdoorsnede van een bekende stirlingmotor.

Eerst zal aan de hand van figuur 3 een stirlingmotor volgens de stand der techniek beschreven worden.

Deze is voorzien van een arbeidszuiger 2 en een verdringingszuiger 3 binnen een cilinder 1, en is een arbeidskamer 4 voor een gecomprimeerd arbeidsfluTdum gelegen in het middengedeelte van de cilinder 1 45 en is een warme ruimte 5 waarin arbeidsmedium expandeert aanwezig bij het bovengedeelte van de cilinder 1, en is een verbrandingskamer 6 gelegen bij het bovengedeelte van de cilinder 1, en is een luchtvoorverwarmer 7 voor het verwarmen en vervolgens toevoeren van omgevingslucht aan de verbrandingskamer 6 aanwezig aan een zijde van genoemde verbrandingskamer 6.

Verder, is een regenerator 8 aangebracht rondom het bovengedeelte van genoemde cilinder 1, waarbij 50 deze regenerator 8 en genoemde arbeidskamer 4 verbonden zijn door midde! van koelpijpen 9, terwijl een koelkamer 10 voor het circuleren van koelwater aangebracht is rond deze koelpijpen 9, terwijl genoemde regenerator 8 en de warme ruimte 5 verbonden zijn met verwarmingspijpen 11. In de tekeningen beduiden de referentie 7a een inlaat voor de luchtvoorverwarmer 7, terwijl de referentie 10a en 10b de inlaat en uitiaat van genoemde koelkamer 10 aangeven.

55 Volgens een aldus geconstrueerde stirlingmotor, wordt warmte vanuit de verbrandingskamer 6, wanneer het arbeidsfluTdum passeert van de arbeidskamer 4 door de koelpijpen 9 en de generator 8 en tenslotte de verhittingspijpen 11, opgenomen, waardoor de druk toeneemt, en deze toegenomen druk is werkzaam op 194377 2 de arbeidszuiger 2 waardoor de arbeidszuiger 2 omlaag gedrukt wordt.

In tegenstelling hiermee, wanneer het arbeidsfluTdum stroomt van de hete ruimte 5 door de verhittings-pijpen 11 en de generator 8 en tenslotte naar de koelpijpen 9, wordt het arbeidsfluTdum afgekoeld en de druk neemt af waardoor de arbeidszuiger 2 omhoog kan bewegen.

5 Bij een stirlingmotor derhalve gaat de arbeidszuiger 2 omlaag wanneer het arbeidsfluTdum afgekoeld en de druk neemt af waardoor de arbeidszuiger 2 omhoog kan bewegen.

Bij een stirlingmotor derhalve gaat de arbeidszuiger 2 omlaag wanneer het arbeidsfluTdum verhit wordt en wanneer het arbeidsfluTdum gekoeld wordt, beweegt de arbeidszuiger 2 omhoog, en wanneer een dergelijke heen en weer gaande beweging van de arbeidszuiger 2 herhaald wordt, wordt nuttig vermogen daaruit 10 verkregen.

Bij de normale stirlingmotor zoals hierboven beschreven, is het koelsysteem op een dergelijke manier gemaakt dat de koelkamer 10 gevormd is rond de koelpijpen 9 en het inwendige van genoemde koelkamer 10 is er voor ingericht om doorstroomd te worden door koelwater vanaf de inlaat 10a naar de uitlaat 10b, zodat het arbeidsmedium in de koelpijp 9 afgekoeld wordt, zodat derhalve een dergelijk conventioneel 15 koelsysteem altijd gevoed moet worden met koelwater, waardoor er vele problemen ontstaan voor het verkrijgen van koelwater in gebieden met watergebrek waardoor beperkingen aangebracht moesten worden wat betreft het gebruik, en aangezien de warmte weggekoeld is, wordt het arbeidsfluTdum niet opnieuw gebruikt voor het bedrijven van de stirlingmotor en omdat deze afgevoerd wordt naar de omgeving, is er een aanzienlijk warmteverlies.

20 Als voorbeeld, loopt het warmteverlies tengevolge van het koelwater op tot 30-40% van de aan de motor toegevoerde warmte.

Om deze problemen op te lossen, wordt volgens de uitvinding een stirlingmotor voorgesteld die aan de hand van figuren 1 en 2 beschreven wordt

Zoals afgebeeld in de figuren 1 en 2, is de uitvinding zodanig gevormd dat een koeler 13 bevattende een 25 thermo-elektrische warmtepomp 13' verbonden is met de koelpijpen 12 die verbonden zijn tussen de arbeidskamer 4 en regenerator 8 en dat een uitlaat 10b van de koelkamer 10 en een inlaat 7a van de luchtvoorverwarmer 7 met elkaar verbonden zijn.

De thermo-elektrische warmtepomp 13' heeft de vorm van een houder gevuld met water en maakt gebruik van een Peltier-systeem dat gebruik maakt van het Peltier-effect, en de vorm is cilindrisch volgens 30 de tekening, doch andere vormen kunnen eveneens gebruikt worden.

Verder is een koelpijp 12 verbonden met de buitenzijde van genoemde thermo-elektrische warmtepomp 13' en verschillende aantallen koelpijpen 12! zijn in het inwendige ervan geplaatst, zodat in het arbeidsmedium dat stroomt door de uitwendige pijp 12 naar het inwendige van de koeler 13 door verschillende aantallen koelpijpen 12! passeert in het inwendige waardoor dit effectiever gekoeld wordt.

35 Evenwel is het mogelijk om slechts de ene koelpijp te laten passeren door het inwendige van genoemde thermo-elektrische warmtepomp IS', zodat het arbeidsfluTdum passeert door de enkele pijp 12 en daarbij gekoeld wordt.

Een aantal vinnen 14 voor warmteafgifte zijn gevormd op het uitwendige oppervlak van de thermo-elektrische warmtepomp 13' van de koeler 13 zoals boven beschreven.

40 De koelkamer 10 wordt gebruikt als luchtkoelkamer voor het geleiden van de koellucht vanaf de inlaat 10a waarbij genoemde koeler 13 met lucht gekoeld wordt door de koellucht, en de verbindlngspijp 15 is aangebracht voor het toevoeren van de lucht die verhit is in de luchtkoelkamer 10 naar genoemde luchtvoorverhitter 7.

Het is gewenst dat genoemde verbindingspijp 15 vervaardigd wordt van een Isolatiemateriaal.

45 De thermo-elektrische warmtepomp IS' van de koeler is op zodanige manier geconstrueerd dat het inwendige wandgedeelte afgekoeld wordt, terwijl het gedeelte aan de buitenzijde verwarmd wordt als gevolg van het aanleggen van een gelijkstroom, en deze gelijkstroom zou verkregen kunnen worden door het aandrijven van een kleine, niet weergegeven, gelijkstroomgenerator afhankelijk van het vermogen van de stirlingmotor, echter is het eveneens mogelijk een afzonderlijke gelijkstroom vermogensbron te gebruiken.

50 Volgens de voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding zoals boven beschreven, wordt gelijkstroom aangelegd op de thermo-elektrische warmtepomp 13' van de koeler 13 gedurende de bedrijfstijd van de stirlingmotor, waardoor de binnenzijde gekoeld wordt en daardoor het koelwater dat aanwezig is in het inwendige wordt afgekoeld, en terwijl het arbeidsmedium stroomt van de uitwendige koelpijp 12 naar het inwendige van de koelpijpen 12! en daardoor afgekoeld worden door het koelwater, en de warmte welke 55 geabsorbeerd is door het koelwater afgegeven wordt door een veelheid vinnen 14 en de omtrekswand van de thermo-elektrische warmtepomp 13'.

Daarbij stroomt de koellucht in de koelkamer 10 en er doorheen, waardoor deze in eerste instantie verhit

Claims

1. Stirlingmotor omvattende een vermogenskamer, regenerator, luchtvoorverhitter alsmede een koelsysteem, met het kenmerk, dat dat koelsysteem een thermo-eiektrische warmtepomp (13) omvat, welke gevormd is in de vorm van een houder, en welke, wanneer gelijkstroom aangelegd is en het binnenzij- 30 gedeelte afgekoeld wordt en het buitenzijgedeelte verhit wordt, verbonden is met een koelpijp (12) welke een vermogenskamer (4) en de regenerator (8) met elkaar verbindt en waarbij koelwater gevuld is in het inwendige ervan.

2. Stirlingmotor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat die thermo-eiektrische warmtepomp (130 gevormd wordt door een piezo-element

3. Stirlingmotor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de koelkamer (10) aangebracht rondom genoemde thermo-eiektrische warmtepomp (130 en een luchtvoorverhitter (7) aangebracht aan de zijde van de verbrandingskamer (6) met elkaar verbonden zijn door middel van de verbindingspijp (15), waardoor er een luchtstroom verhit wordt, welke de koelkamer (10) binnenstroomt door de afgegeven warmte van genoemde thermo-eiektrische warmtepomp (130, waarna de lucht opnieuw verhit wordt in de luchtvoor· 40 verhitter (7) en vervolgens toegevoerd wordt aan de verbrandingskamer (6).

3 194377 wordt door de warmte afgegeven vanaf de thermo-eiektrische warmtepomp 13" en de verwarmde iucht naar de luchtvoorverhitter 7 gevoerd wordt door de verbindingspijp 15, en in tweede instantie verwarmd wordt door genoemde luchtvoorverhitter 7 en vervolgens toegevoerd wordt aan de verbrandingskamer 6, al waar . hij verbrand wordt samen met brandstof toegevoerd aan de verbrandingskamer 6.

5 Doordat volgens de uitvinding het koelwater positief gekoeld wordt door de thermo-eiektrische warmtepomp, waardoor het arbeidsmedium afgekoeld wordt door het koelwater, wordt het koeleffect verbeterd, en aangezien de lucht in eerste instantie voorverhit wordt door de warmte afgegeven door de thermo-eiektrische warmtepomp en in tweede instantie verhit wordt in de luchtvoorverhitter en vervolgens toegevoerd wordt aan dé verbrandingskamer, is er het voordeel dat het verbrandings-nuttig effect verbeterd 10 wordt Meer in het bijzonder, volgens de uitvinding, is het niet noodzakeiijk om koeiwater continue toe te voeren aangezien de motor kan werken wanneer slechts koelwater in de vooraf bepaalde hoeveelheid gevuld is in het inwendige van de thermo-eiektrische warmtepomp, is er het voordeel dat het mogelijk is de motor te gebruiken zonder enige beperking zelfs in gebieden waar het moeilijk is om koelwater te verkrijgen.

15 Tenslotte, hoewel de uitvinding zoals boven beschreven op een zodanige wijze geconstrueerd is dat de lucht verhit door de warmte afgegeven uit de koeler geleid wordt door de verbindingspijp naar de luchtvoorverhitter teneinde het thermisch nuttig effect te verhogen van de stirlingmotor en deze opnieuw te verhitten en vervolgens toe te voeren aan de verbrandingskamer, is het eveneens mogelijk om lucht te gebruiken die verhit is door de warmteafgifte van de koeler als een thermisch medium voor ruimteverwarming. Dat wil 20 zeggen, hij kan eveneens gebruikt worden als warmtebron voor het verwarmen van ruimten door het rechtstreeks van de uitlaat van genoemde verbindingspijp met een ruimte die ruimteverwarming nodig heeft te verbinden.

25 Conclusies

4. Stirlingmotor volgens conclusie 1 of 3, met het kenmerk, dat genoemde thermo-eiektrische warmtepomp (130 uitgevoerd is met ten minste een of meer warmte-afgevende vinnen (14) op het uitwendige omtreksop-pervlak. Hierbij 2 bladen tekening