NL8500598A - Heetgas-motor werkend volgens het principe van de stirling-motor. - Google Patents

Description

I * -1-

Heetgas-motor werkend volgens het principe van de Stirlingmotor .

De uitvinding heeft betrekking op een heetgas-motor werkend volgens het principe van de St irüng-motor, waarbij in een met een procesgas gevulde cilinderruimte een arbeids-zuiger en een verdringer-zuiger in lengte-richting beweegbaar ten opzichte van elkaar zijn aangebracht, met een bij 5 de cilinderruimte behorende regenerator en met een krachts-overbrengend met de zuiger verbonden aandrijf-eenheid.

Motoren werkendvolgens de stirling-kringloop zijn reeds bekend. Evenals van de Otto- en Dieselmotoren berust het arbeidsprincipe daarop, dat een procesgas bij lagere temperatuur wordt gecomprimeerd en vervolgens bij hoge temperatuur expandeert. In tegenstelling met de andere genoemde motoren wordt bij de Stirling-motor het procesgas echter niet door een inwendige verbranding verhit, maar de warmte wordt aan het procesgas van buitenaf toegevoerd, 15 zodat met deze motor temperatuur-verschillen in mechanische arbeid kunnen worden omgezet.

Een Stirling-motor van het boven beschreven type is bekend uit de literatuur (W. Kalide, "Energieumwandlung in Kraft- und Arbeitsmaschinen", 1982, Blz. 178 tot 181).

20 Deze bekende Stirling-motor bezit een regenerator die is aangebracht buiten de cilinderruimte en die via kanalen is verbonden met het warme en het koude gebied van de cilinderruimte. Zoals verder blijkt uit de bekende literatuur plaats zijn Stirling-motoren van moderne constructie 25 meestal uitgevoerd als één- cilindermotoren en vaak voorzien van ruitvormige aandrijvingen, die de voor het realiseren van een kringloop-proces noodzakelijke bewegingen van de arbeids-zuiger en de verdringer-zuiger besturen.

De uitvinding ligt de doelstelling ten gronde een 30 heetgas-motor van het boven beschreven type zodanig uit te voeren, dat hij enerzijds een zo eenvoudig mogelijke constructie bezit en anderzijds een duidelijke capaciteits-verhoging toestaat.

Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt doordat 35 de verdringer-zuiger is uitgevoerd als regenerator en 8500598 ------V- -2- doordat de aandrijf-eenheid bestaat uit een telkens bij de arbeids-zuiger en bij de verdringer-zuiger aangebrachte, op de wijze van een schuifkruk-aandrijving uitgevoerde, wielaandri jving.

5 Verdere gunstige uitvoeringsvormen van de heetgas- motor volgens de onderhavige uitvinding, betrekking hebbend op de hierboven genoemde doelstelling, zijn verder in het nu volgende beschreven en aangeduid in de bijgaande conclusies 2 tot 7.

1 ü De heetgas-motor volgens de uitvinding bezit daar bij het voordeel van slechts geringe mechanische verliezen. Gelijktijdig wordt het mogelijk, de inwendige druk van het procesgas te verhogen en daardoor het kringloop-proces zonder aanvullend energie-gebruik op een hoger druk 15 niveau te leggen, dat wil zeggen het rendement verder te verhogen. Voor zover de wielaandrijvingen eveneens zijn aangebracht in het inwendige van het met het procesgas gevulde gebied, is voor de afdichting van het procesgas slechts een glijring-afdichting noodzakelijk bij de as 2Q die de arbeid van het drijfwerk afgeeft.

De uitvinding wordt nu nader toegelicht aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld, weergegeven in de tekening, waarin;

Pig. 1 een langsdoorsnede toont over een heetgas-25 motor volgens de uitvinding;

Fig. 2a-c diagrammen tonen ter verduidelijking van de werking van de motor van fig. 1;

Fig. 3 en 4 perspectivische aanzichten tonen van de arbeids-resp. verdringer-zuiger; 30 Fig. 5 een perspectivisch aanzicht toont van de plaatsing van de zuigerstangen;

Fig. 5a-c doorsneden tonen volgens de in fig. 5 aangegeven lijnen.

In de figuren zijn overeenkomstige onderdelen met 35 dezelfde verwijzingscijfers aangeduid.

Bij de in figuur 1 weergegeven inrichting gaat het om twee volgens het Stirling-kringloopproces werkende motor-eenheden die op de wijze van een boxer-motor tot één aggregaat zijn samengevoegd. In een gemeenschappelijk 40 cilinderhuis 10 zijn eerst aan de einden van een 85 00 5 98 4 » -3- gemeenschappelijke zuigerstang 11 twee arbeids-zuigers 12 en 13 aangebracht. Zowel de zuigerstang 11 als ook de arbeids-zuigers 12 en 13 bezitten, zoals duidelijk blijkt uit de figuren 3 tot 5, elk centrische doorgaande 5 boringen. Deze nemen een tweede, in de doorgaande boringen in lengte richting verschuifbaar aangebrachte, zuigerstang 14 op die langer is dan de zuigerstang 11 van de arbeids-zuigers 12 en 13 en die aan zijn einden 2 verdringer-zuigers 15 resp. 16 draagt. Overeenkomstig de uitvinding 10 zijn in plaats van de bij de bekende stirling-motoren extern aangebrachte regeneratoren, deze verdringer-zuigers 15, 16 uitgevoerd als regenerator, zodat geen aanvullende kanalen buiten de eigenlijke cilinderruimte noodzakelijk zijn voor het procesgas. De inwendige constructie van 15 de verdringer- resp. regeneratorzuiger bestaat daarbij uit een warmtespons voor het opnemen van de toegevoerde warmte.

In het inwendige van het huis 10 zijn verder twee overeenkomstig opgebouwde wielaandrijvingen 17 aangebracht, 20 waarvan er in fig. 1 één is weergegeven, terwijl de tweede, in het weergegeven aanzicht achter de zuigerstangen 11 en 14 aangebrachte wielaandrijving hier niet is getoond.

Beide wielaandrij vingen zijn door een geschikte synchronisatie- . inrichting met elkaar verbonden.

25 Elke wielaandrijving 17 bestaat uit een inwendig getand, in het huis 10 vast aangebracht, wiel 18 benevens uit een in dit wiel 18 aangebracht, uitwendig getand , omloopwiel 19. Dit laatste is via een in de tekening niet weergegeven afstandhouder zodanig scharnierend verbonden 30 met de aandrijfas 20, dat het in het inwendige van het wiel 18 rond loopt. De diameters van de beide wielen 18, 19 zijn gekozen in de verhouding 2:1 zodat bij één omloop van het wiel 19 in het wiel 18 een punt op de omtrek van het kleine wiel 19 een rechtlijnige heen en 35 weer beweging langs de diameter van het grotere wiel 18 uitvoert op de wijze van een schuifkruk-aandrijving.

Dit betekent, dat de door middel van een pen 21 in het punt 1 aan het wiel 19 scharnierend aangebrachte zuigerstang 11 van de arbeids-zuigers 12 en 13 eveneens een zuivere 40 rechtlijnige beweging uitvoert zoals de, door middel 85 0 0 5 98 -4- van een geleidingspen 22 aan het overeenkomstige omloopwiel van de tweede identiek samengestelde wielaandrijving, scharnierend aangebrachte zuigerstang 14 die de regenerator-zuigers 15 en 16 draagt. De geleidingspen 22 is daarbij 5 beweegbaar aangebracht in een langwerpige uitsparing 23 van de zuigerstang 11, zodat de beide zuigerstangen 11 resp. 14 een relatieve beweging ten opzichte van elkaar uit kunnen voeren. Bij de hier weergegeven voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding is daarbij de geleidingspen 10 22 zodanig scharnierend aangebracht aan de bijbehorende wielaandrijving/ dat de beweging van de zuigerstang 14 ten opzichte van die van de zuigerstang 11 een fase verschuiving bezit van ^/4, waarover de zuigerstang 14 vooruit ijlt.

15 Zowel het inwendige van het huis 10, bestaande uit de afzonderlijke cilinderruimten 24, 25, 26, 27, als ook de tussen de arbeids-zuigers 12 en 13 liggende aandrijf-werk-ruimten 28, waarin de beide wielaandrijvingen zijn aangebracht, zijn gevuld met het onder druk staande procesgas.

20 Aan dit gas kan via de beide aan de einden aanwezige hete gebieden 29 en 30 warmte van buitenaf worden toegevoerd, terwijl de gëbieden 31 en 32 dienen voor de koeling.

De koel- en verwarmingsgebieden worden telkens door de bijbehorende regenerator-zuiger van elkaar gescheiden, 25 welke tegelijkertijd, ten gevolge van de in zijn inwendige aanwezige warmtespons, in staat is een deel van de toegevoerde warmte op te slaan en deze warmte weer aan het procesgas af te geven bij het begin van de arbeids-slag van de arbeids-zuiger.

30 De bewegingscyclus van de arbeids- en regenerator- zuigers in de cilinderruimten, zoals deze optreden vanwege de hiervoor beschreven constructieve uitvoering van de heetgas-generator volgens de uitvinding, is weergegeven in de figuren 2a tot c. Daarbij toont fig. 2a de bewegings- 35 cyclus van de zuigers 13 en 16, fig. 2c die van de zuigers 12 en 15, terwijl fig. 2b telkens een periode weergeeft van de beweging van de beide pennen 21 en 22.

Zoals blijkt komt daarbij de zuigerstand volgens positie 1 overeen met die van de in fig. 1 weergegeven 40 doorsnede van de motor. Ongeveer vanaf positie 3 begint 85 0 0 5 98 ' * -5- in fig. 2a de verdichtings-fase, waarop ongeveer vanaf positie 5 de expansie-fase, dat wil zeggen de arbeids-slag volgt.in fig. 2c die het bewegingsverloop in de tweede cilinder toont, liggen deze beide fasen tijdelijk 5 zodanig versprongen, dat zich een optimum instelt voor wat betreft de rustige loop van de motor en van een gelijkmatige aandrijf-capaciteit.

In de beide cilinders is de bewegingscyclus zodanig gekozen, dat de verdichting van het procesgas plaats-vindt-10 onder warmte afvoer, terwijl zijn expansie plaats vindt onder gelijktijdige toevoer van energie door de uitwendige warmtebron. Volgens het principe van de Stirling-motor wordt op deze wijze de gewenste aandrijfcapaciteit verkregen. Ter afdichting van het met procesgas gevulde huis 10 15 worden op de as 20, die het vermogen afgeeft, glijring-afdichtingen toegepast, waarbij een aandrijfwerk zoals het boven beschrevene slechts een draaiende afdichting vereist. Daardoor is het mogelijk de cilinderruimte, ter vergroting van het rendement, te vullen met een sterk 20 verdicht procesgas waardoor het kringloopproces op een hoger niveau kan worden gebracht, zonder dat hiervoor aanvullende energie moet worden toegepast.

De heetgas-motor volgens de uitvinding kan daarbij slechts bestaan uit een cilinder met arbeids en regenerator-25 zuiger maar ook, zoals in het geval van het hiervoor beschreven uitvoeringsvoorbeeld, uit twee tegenover elkaar liggende cilinders. Er kunnen echter ook een aantal van dergelijke eenheden tot een aandrijfstelsel samengevat, op een gemeenschappelijke as inwerken. Dergelijke eenheden 30 kunnen op vele gebieden worden toegepast, zoals bijvoorbeeld als warmtepompen of in combinatie met Otto- resp. Dieselmotoren voor het aandrijven van hulpaggregaten zoals dynamo's ventilators enz., waarbij in dit geval de afvalwarmte direct kan worden gebruikt.

35 De stirling-motor volgens de uitvinding is een stille, milieu-vriendelijke machine, die elke warmtebron kan benutten, met inbegrip van zonne- en atoomenergie. Een bijzonder belangrijk voordeel kan daarin worden gezien, dat het proces in tegenstelling met het Otto- of Diesel-40 principe omkeerbaar is. Wanneer de aandrijfas van de 85 0 0 5 9a • « -6-

Stirling-motor mechanisch wordt aangedreven, dan ontstaat aan de cilinder een hete en een koude zijde. Al naar dat men nu aan de hete of de koude zijde een medium met omgevingstemperatuur toevoert,ontstaat een koelmachine 5 of warmtepomp. Bij het beschreven boxer-principe is het bijvoorbeeld mogelijk één zijde door warmte-toevoer en koeling te bedrijven als motor en de andere zijde als koelmachine. Het aggregaat kan volledig ingekapseld werken, zodat een asdoorvoering met zijn problemen weg valt.

10 Een gunstige toepassing is bijvoorbeeld in de tropen met een volledig ingekapselde Stirling-koelmachine mogelijk, die al naar de zonne-intensiteit, koelkapaciteit levert.

Dit proces loopt parallel met de vereiste koeling bij zonne-instraling.

85 0 0 5 98

Claims (8)

1. Heetgas- motor werkend volgens het principe van de Stirling-motor, waarbij in een, met een procesgas gevulde cilinderruimte een arbeids-zuiger en een verdringer-zuiger in lengte-richting beweegbaar ten opzichte van 5 elkaar zijn aangebracht, met een bij de cilinderruimte behorende regenerator benevens met een krachtsoverbrengend met de zuiger verbonden aandrijf-eenheid, met het kenmerk , dat de verdringer-zuiger (15,16) is uitgevoerd als regenerator en dat de aandri jf-een_heid bestaat uit 10 een telkens bij de arbeids-zuiger (12,13) en bij de verdringer-zuiger (15,16) aangebrachte, op de wijze van een schuifkruk-aandrijving uitgevoerde, wielaandrijving(18,19).

2. Heetgas-motor volgens conclusie 1, m e t het kenmerk , dat de wielaandrijvingen (18,19) zijn 15 aangebracht in het inwendige van de met het procesgas gevulde ruimte (28).

3. Heetgas-motor volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de scharnierpunten van de zuigerstangen (11,14) aan de erbij behorende wielaandrijvingen 20 (18,19) zodanig zijn gekozen, dat de betreffende zuiger- bewegingen verlopen met een fase-verschuiving van ongeveer 45°.

4. Heetgas-motor volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat telkens twee arbeids- 25 zuigers (12,13) en twee verdringer-zuigers (15, 16) zijn samengevat in een gemeenschappelijk huis (10) op de wijze van een boxer-motor.

5. Heetgas-motor volgens conclusie 4, m e t het kenmerk , dat de cilinderruimten (24,25,26,27) 30 benevens de daartussen aanwezige drijfwerk-ruimte (28) een ingekapselde ruimtelijke eenheid vormen. 85 0 0 5 99 -8- J

6. Heetgas-motor volgens één der voorgaande conclusies/ met het kenmerk/ dat de hol geboorde zuiger-stang (11) van de arbeids-zuigers (12, 13) in zijn middelste deel een langwerpige opening (23) bezit waarin een zijdelings 5 penvormig aanzetstuk (22.) van de zuigerstang (14) van de verdringer-zuiger (15,16) in lengte richting verschuifbaar is opgenomen/ welke met de bij de verdringer-zuiger aangebrachte wielaandrijving in werkzame verbinding staat.

7. Heetgas-motor volgens één der voorgaande conclusies, 10 met het kenemrk, dat de verdringer-zuigers (15,16) een warmte opnemende inwendige structuur (warmtespons) bezitten.

8. Heetgas-motor als beschreven en/of weergegeven in de tekening. 85 00 5 98