NL8601524A - Stirling motor. - Google Patents

Description

ί ^

Stirling motor ACHTERGROND VAN DE ÜITVINDING.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking öp een Stirling motor, waarin warmte uit uitwendige bronnen wordt omgezet in nuttige mechanische energie, en meer in het bijzonder op de opstelling van elementen voor de verhitter, de regenerator en de koeler daarvan.

5 Stirling motoren zijn op zichzelf algemeen bekend. Een conventionele Stirling motor werkt met een regeneratieve, thermo-dynamische cyclus met cyclische compressie en expansie van het werkzame medium bij verschillende temperatuurniveau's . Bij deze soort motor, die werkt als aandrijf inrichting, wordt door middel van 10 de verhitter warmte toegevoerd aan het werkzame medium in de motor , wanneer het medium zich in de hete kamer bevindt. Een gedeelte van de warmte wordt omgezet in arbeid, wanneer het werkzame medium als gevolg van de geabsorbeerde warmte expandeert en daardoor op de zuiger drukt, die is gekoppeld met een krukas en daaraan een draaiende 15 beweging geeft. Het werkzame medium wordt dan door een verplaatsings-inrichting verplaatst door de regenerator en door de koeler in de koude kamer geperst. Daarna wordt het werkzame medium door de ver-plaatsingsinrichting uit de koude kamer door de koeler en de regenerator in de hete kamer geperst, en het medium absorbeert bij het 20 stromen door de regenerator weer een hoeveelheid van de warmte, die het eerder daaraan heeft afgegeven. Het medium absorbeert in de hete kamer opnieuw warmte en de bedrijfscyclus wordt herhaald. Daarom wordt de krukas gedraaid als gevolg van de heen en weergaande beweging van de verplaatsingsinrichting.

25 Bijvoorbeeld het Amerikaanse octrooischrift 4.578.949 beschrijft een compacte uitvoeringsvorm van een Stirling motor. Fig.

1 toont een dwarsdoorsnede van een bekende Stirling motor 1, die is voorzien van een verplaatsingszuiger 2 en van een aandrijfzuiger 3, die in een cilinder 4 werkt dankzij de stroming van het gasvormige 30 medium, dat door een verhitter 5 wordt verwarmd en door een koeler 6 wordt gekoeld. De cilinder 4 is door de verplaatsingszuiger 2 verdeeld 3601524 ^ Jl - 2 - in een bovenste kamer 4a en een onderste kamer 4b en de onderste kamer 4b is begrensd tussen de verplaatsingszuiger 2 en de aandrijf-zuiger 3. De bovenste kamer 4a en de onderste kamer 4b zijn met elkaar verbonden door een verhitter 5, een regenerator 7 en een koeler 5 6, waardoor het gasvormige medium uit de bovenste kamer 4a in de onderste kamer 4b stroomt of omgekeerd. De regenerator 7 is gevormd rondom het buitenomtreksoppervlak van de cilinder 4. Zodoende is de constructie van cilinder en regenerator gecompliceerd en het monteren van de regenerator is omslachtig. De verhitter 5, die warmte ont-10 vangt uit warmtebronnen en is verbonden met de bovenste kamer 4a van de cilinder 4, steekt radiaal uit van het bovenste gedeelte van de cilinder 4 en strekt zich uit over de warmtebron, en de koeler 6, die is verbonden met de onderste kamer 4b van de cilinder 4, steekt radiaal uit van het onderste gedeelte van de cilinder 4 aan 15 de zijde tegengesteld aan de zijde, van welke de verhitter 4 uitsteek t.Eöarom wordt de werking van de koeler niet beïnvloedt door de warmtebron, waardoor een zeer doelmatig bedrijf wordt bewerkstelligd. Echter de radiale afmeting van de motor wordt bepaald door de lengte van de verhitter 5 plus die van de koeler 6.

20 SAMENVATTING VAN DE UITVINDING.

Het hoofddoel van de onderhavige uitvinding is het verschaffen van een verbeterde Stirling motor, waarbij de radiale afmeting kleiner is gemaakt, zonder de doelmatigheid van de motor te beïnvloeden .

25 Een ander doel van deze uitvinding is het verschaffen van een Stirling motor, die gemakkelijk kan worden geassembleerd.

De Stirling motor volgens de onderhavige uitvinding omvat een aandrijfzuiger en een verplaatsingszuiger, die beide verschuifbaar zijn gemonteerd in een cilinder, waarin het werkzame medium 30 is opgesloten. De beweegbare verplaatsingszuiger verdeelt de inwendige ruimte van de cilinder in twee kamers. Deze twee kamers zijn met elkaar verbonden door tenminste één koeler, een regenerator en een verhitter. Deze koeler, regenerator en verhitter zijn opgesteld aan één zijde van de cilinder op één lijn daarmee.

35 Verdere doeleinden, kenmerken en andere aspecten van de onder- 8501 5?4 ΐ « - 3 - havige uitvinding zullen duidelijk worden uit de volgende gedaillteerde beschrijving van de voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding, onder verwijzing naar de bijgaande tekeningen.

KORTE BESCHRIJVING VAN DE TEKENINGEN.

5 Fig. 1 is een dwarsdoorsnede van een bekende Stirling motor.

Fig. 2 is een dwarsdoorsnede van de Stirling motor bij één uitvoeringsvorm van deze uitvinding.

Fig. 3 is een doorsnede volgens de lijn III-III in fig. 2.

10 Fig. 4 is een doorsnede volgens de lijn IV~IV in fig. 2.

gedetailleerde beschrijving van de voorkeursuitvoeringsvorm.

In fig. 2 is de Stirling motor volgens één uitvoeringsvorm van de uitvinding getekend. De inrichting 10 is voorzien van een ringvormig huis 11, waarbij een cilinder 12 is opgesteld op een 15 krukkast 13, terwijl een cilinderdeksel 14 is gemonteerd op een bovenste opendeel van de cilinder 12 en daarop bevestigd door een eerste draagplaat 15, om het openj^edeelte van de cilinder 12 af te sluiten.

Een verplaatsingszuiger 16 is verschuifbaar gemonteerd in 20 de cilinder 12 en verdeelt de cilinder 12 in twee kamers. Een aandrijfzuiger 17 is ook verschuifbaar in de cilinder 12 gemonteerd en opgesteld in het onderste gedeelte van de cilinder 12. Het bovenoppervlak van de aandrijfzuiger 17 ligt tegenover het onder-oppervlak van de verplaatsingszuiger 16. De bovenste kamer van de 25 cilinder 12 doet dienst als warmtekamer 12a en de ruimte die is begrensd tussen de verplaatsingszuiger 16 en de aandrijfzuiger 17 doet dienst als koude kamer 12b. Beide zuigers 16 en 17 zijn verbonden met een krukas 18, die draaibaar is ondersteund in een krukkast 13 door middel van legers 19. Op de krukas 18 zijn drie 30 krukken 18a, 18b en 18c gemonteerd. De twee buitenste krukken 18a en 18c zijn onder dezelfde hoek op de krukas 18 gemonteerd en zijn met de aandrijfzuiger 17 verbonden door twee evenwijdige drijfstangen 20a resp. 20b. De verplaatsingszuiger 16 wordt aangedreven door de middelste kruk 18b, die over een bepaalde hoek is verplaatst 35 ten opzichte van de twee andere krukken 18a en 18c. De verplaatsings- SSC1524 . s - 4 - zuiger 16 is met de middelste kruk 18b gekoppeld door een staig21, die door middel van een koppelstuk 22 is verbonden met de drijf-, stang 23, die op de kruk 18b is gemonteerd.

Zoals in fig. 2 is aangedreven, bestaat de cilinder 12 uit 5 een bovenste element 121 en een onderste element 122, die met elkaar zijn verbonden door een tweede draagplaat 24. Een ringvormig cilindrisch element 25 is tegenover de koude kamer 12b rondom het buitenomtreksoppervlak van de cilinder 12 opgesteld. Een onderste opening van het cilindrische element 25 is afgesloten door de 10 tweede draagplaat 24, en een bovenste opening van het cilindrische element is afgesloten door een derde draagplaat 26. De ruimte die is begrensd door het cilindrische element 25, het buitenomtreksoppervlak van de cilinder 12, alsmede de tweede en de derde draagplaat 24, 26, doet dienët als koeltank 30 om het koelwater te 15 circuleren.

Volgens de figuren 2 en 3 steken meerdere verhittere 27 radiaal uit van de eerste draagplaat 15 en strekken zich uit in de richting van de warmtebron. (Bij de in fig. 3 getekende uitvoeringsvorm zijn vier verhitters 27 getoond.) Elke verhitter 27 bestaat 20 uit een buitenste buisvormig element 271 en een binnenste buisvormig element 272. Eén einddeel van elk buitenste buisvormig element 271 is bevestigd op een buitenste einddeel van een boring 28, die ' is aangebracht door het eerste draagelement 15 en die zorgt voor de verbinding tussen het inwendige van warmtekamer 12a van 25 de cilinder 12 en de uitwendige ruimte van de cilinder, terwijl zijn andere, buitenste einde is afgesloten. Omdat het binnenste buisvormig element 272 zich met een spleet uitstrekt in het inwendige van het buitenste buisvormige element 271, om een mediumdoorstroom-ruimte A te begrenzen, is het buitenste buisvormig element 271 ver-30 bonden met het inwendige van het binnenste buisvormig element 272 en is ook verbonden met de holle ruimte 281, die in de boring 28 is gevormd. De holle ruimte 281 van elke verbindingsboring 28 is verbonden met een regenerator 29, Meerdere ringvormige vinnen 273 zijn aangebracht op het buitenomtreksoppervlak van het buitenste 35 buisvormig element 271, om de warmteuitwisseling te bevorderen.

8801524 w * - 5 -

Meerdere regeneratoren 29 strekken zich met een spleet vertikaal uit langs het buitenomteksoppervlak van de cilinder. Elke regenerator 29 bestaat uit een cilindrisch buiselement 291 en uit draadgaas 292, dat in het buiselement 291 is geplaatst. Het boveneinde van het 5 buiselement 291 is bevestigd op de eerste draagplaat 15 en is verbonden met de holle ruimte 231. Het andere einde van het buiselement 291 is bevestigd op de derde steunplaat 26.

Volgens de figuren 2 en 4 strekken meerdere koelers 31 zich in vertikale richting uit in de inwendige ruimte van de koeltank 30.

10 Elke koeler 31 bestaat üit een buitenste buiselement 311 en uit een binnenste buiselement 312. Het boveneinde van het buitenste buiselement 311 is bevestigd op de derde draagplaat 26 en is verbonden met het onderste gedeelte van een regenerator 29. De onderste opening van het buitenste buiselement 311 is afgedekt door de draagplaat 24.

15 Echter de binnenruimte van het buitenste buiselement 311 is met de koude kamer.12b van de cilinder 12 verbonden door zijgaten 311a in het buitenste buiselement 311 en een verbindingsboring 32 door de tweede draagplaat 24. Het binnenste buiselement 312 steekt met een spleet uit in de inwendige ruimte van het buitenste buiselement 20 311 en zijn binnenste opening is afgesloten door een kap 312a, om daardoor de mediumdoorstroomruimte B te begrenzen. Het onderste einddeel van het binnenste buiselement 312 is bevestigdpp de tweede draagplaat 24. Het koelwater wordt in het inwendige van het binnenste buiselement 312 gecirculeerd door inlaat- en uitlaatbuis-25 elementen 331, 332, die beide zijn vastgezet met een moer 34 en uitsteken in het inwendige van het binnenste buiselement 312. Daarom wordt het gasvormige werkzame medium, dat door de doorstroomruimte B tussen het binnenoppervlak van het buitenste buiselement 311 en het buitenoppervlak van het binnenste buiselement 312 stroomt, afge-30 koeld door het koelwater, dat door het binnenste buiselement 312 en de koeltank 30 wordt gecirculeerd.

Het cyclische thermische proces, waarmee de inrichting werkt, zal nu worden beschreven. Als de onderste zuiger 17 in zijn onderste stand staat, terwijl de verplaatsingszuiger 16 in zijn 35 bovenste stand staat, is al het in het systeem opgesloten gas in de 8601524 - c - 6 - koude kamer 12b geperst, die dan zijn grootste volume heeft. De aandrijfzuiger 17 beweegt daarna in opwaartse richting om het gas in de koude kamer 12b te comprimeren en de verplaatsingszuiger 16 beweegt in neerwaartse richting, om het gecomprimeerde gas door 5 de koeler 31, de regenerator, de verhitter 27 en in de hete kamer 12a te persen. Zoals in fig. 2 is getekend, waarbij de aandrijf-zuiger 17 in zijn bovenste stand staat en de verplaatsingszuiger 16 in zijn onderste stand is bewogen, waarbij het volume van de koude kamer 12b zijn minimale waarde heeft, bevindt al, het gecom-10 primeerde gas zich in de hete kamer 12a. De warmte van de verhitter 27 doet het gas in de hete kamer 12a expanderen en zowel de aandrijfzuiger 17 als de verplaatsingszuiger 16 bewegen in neerwaartse richting in hun onderste stand. Terwijl de aandrijfzuiger 17 in zijn onderste stand blijft staan, beweegt de verplaatsings-15 zuiger 16 in opwaartse richting en drukt het gas uit de. hete kamer 12a. Bij het stromen uit de hete kamer 12a naar de koude kamer 12b, geeft het gas een groot deel van zijn warmte af aan de regenerator 31 en zijn resterende warmte aan de koeler 31. Als de verplaatsingszuiger 16 zich in zijn tussenstand bevindt bij het 20 persen van het gas in de koude kamer 12b en voor het bereiken van zijn bovenste stand, waarbij al het gas in de koude kamer 12b is geperst. De bedrijfscycli worden daarna herhaald, waarbij het afgekoelde gas dat uit de koude kamer 12b naar de hete kamer 12a stroomt, warmte terugwint uit de regenerator 31.

25 Zoals boven is beschreven, zijn de verhitter, de regenera tor en de koeler, die in serie met elkaar zijn verbonden en die zijn verbonden tussen de hete kamer en de koude kamer, die beide zijn begrensd in de cilinder, opgesteld aan één zijde van het omtreksdeel van de cilinder. Daardoor is de radiale afmeting van 30 de Stirling motor beperkt, zonder de positie van elk van de elementen ongunstig te beëinvloeden, dat wil zeggen de Stirling motor kan compact worden gebouwd.

De onderhavige uitvinding is in detail beschreven aan de hand van de voorkeursuitvoeringsvorm, maar dit is slechts een 35 uitvoeringsvoorbeeld en de uitvinding is niet daartoe beperkt. Voor 8601524 - 7 - deskundigen zal het duidelijk zijn, dat andere variaties en wijzigingen gemakkelijk binnen de amvang van de bijgaande conclusies kunnen worden aangebracht.

Beschreven is een Stirling motor, waarbij een verplaatsings-5 zuiger en een aandrijfzuiger werken in een cilinder als gevolg van de stroming van een gasvormig werkzaam medium, dat wordt verwarmd en afgekoeld door middel van een verhitter resp. een koeler. De cilinder is. in een bovenste en een onderste kamer verdeeld door een vezplaatsingszuiger en de onderste kamer is begrensd 10 tussen de verplaatsingszuiger en de aandrijfzuiger. De bovenste kamer en de onderste kamer zijn met elkaar verbonden door de verhitter, de regenerator en de koeler, waarbij het gasvormige werkzame medium uit de bovenste kamer in de onderste kamer stroomt of omgekeerd. De verhitter, regenerator en de koeler zijn opgesteld 15 aan één zijde van de buitenomtrek van de cilinder en op één lijn daarmee. Zodoende is de radiale afmeting van de motor beperkt, zonder de doelmatigheid daarvan ongunstig te beïnvloeden.

O 45 ï» «e r λ > >5 {j i 0 ύ

Claims (4)

1. Stirling motor, omvattende een cilinder met een cilinderdeksel, een aandrijfzuiger en een verplaatsingszuiger die beide verschuifbaar in de cilinder zijn gemonteerd, welke verplaatsingszuiger het inwendige van de cilinder verdeelt in 5 twee kamers, waarvan de ene is gelegen tussen de aandrijfzuiger en de verplaatsingszuiger, welke twee kamers met elkaar zijn verbonden door koelmiddelen voor het koelen van een medium in de inrichting, regeneratormiddelen en verwarmingsmiddelen voor het verwarmen van een medium in de inrichting, met het kenmerk, 10 dat de koelmiddelen, regeneratormiddelen en verwarmingsmiddelen zijn opgesteld aan één zijde van de buitenomtrek van de cilinder en op één lijn daarmee.

2. Stirling motor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de koelmiddelen, regeneratormiddelen en verwarmingsmiddelen 15 bestaan uit meerdere buiselementen en dat de buiselementen van de koelmiddelen^ regeneratormiddelen en verwarmingsmiddelen met elkaar zijn verbonden, om meerdere kanalen voor de stroming van het medium te vormen.

3. Stirling motor volgens conclusie 1, met het kenmerk, 20 dat de regeneratormiddelen zijn voorzien van een ringvormig buiselement en van draadgaas, dat in het buiseleaent is opgesteld.

4. Stirling motor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de koelmiddelen zijn voorzien van een koeltank, die is begrensd rondom het onderste gedeelte van de cilinder, en van * 25 meerdere koelelementen, die zijn opgesteld in de koeltank en zijn voorzien van een koelwatercirculatieinrichting. -o -o-o -o -o-o -o -o - V XJ J ·;Μ' ,Λ r~Z · /·'- ? )“ .. "'--Λ ^ w S·-' / ; ^