NO333268B1

NO333268B1 - Machine comprising a number of sets of circuits

Info

Publication number: NO333268B1
Application number: NO20083169A
Authority: NO
Inventors: Arne Høeg
Original assignee: Single Phase Power As
Priority date: 2008-07-16
Filing date: 2008-07-16
Publication date: 2013-04-22
Also published as: NO20083169L

Description

Oppfinnelsen vedrører en maskin omfattende et antall sett kretser slik det angis i innledningen til det selvstendige patentkravet. The invention relates to a machine comprising a number of sets of circuits as stated in the introduction to the independent patent claim.

I en utførelse av den foreliggende oppfinnelsen virker maskinen etter prinsippene i følge Stirling-syklusen. Den foreliggende oppfinnelsen vil i det etterfølgende beskrives med virkeprinsipp etter Stirling-syklusen, men som fagmannen vil forstå, så vil prinsippene for maskinen slik den defineres ifølge den foreliggende oppfinnelsen også kunne benyttes for andre type maskiner. In one embodiment of the present invention, the machine works according to the principles of the Stirling cycle. The present invention will subsequently be described with an operating principle based on the Stirling cycle, but as the person skilled in the art will understand, the principles for the machine as defined according to the present invention can also be used for other types of machines.

Med maskiner i følge kjent teknikk, og da spesielt maskiner som virker etter Stirlingprinsippet, vil det være nødvendig med store og kostnadskrevende endringer i den enkelte maskin for å få den tilpasset til de gjeldende driftsforhold. With machines according to known technology, and especially machines that work according to the Stirling principle, it will be necessary to make large and costly changes to the individual machine in order to adapt it to the current operating conditions.

WO 91/04402 vedrører en Stirling-maskin som omfatter en kompresjonsenhet bestående av et hus med en åtte-tallsform, som er delt i to kompresjonskamre av en eksentrisk opplagret rotor, og en ekspansjonsenhet bestående av et hus delt i to ekspansjonskamre av en eksentrisk opplagret rotor. WO 91/04402 relates to a Stirling machine comprising a compression unit consisting of a housing with a figure-eight shape, which is divided into two compression chambers by an eccentrically supported rotor, and an expansion unit consisting of a housing divided into two expansion chambers by an eccentrically supported rotor.

US 4.395.880 vedrører en maskin med et antall kretser, der et antall hus er delt inn i ett kompresjonskammer og ett ekspansjonskammer av et stempel, eller der hvert hus kun inneholder ett kompresjonskammer eller ett ekspansjonskammer. US 4,395,880 relates to a machine with a number of circuits, where a number of housings are divided into one compression chamber and one expansion chamber by a piston, or where each housing contains only one compression chamber or one expansion chamber.

Oppfinnelsens hensikt er å tilveiebringe en maskin som på en enkel og rimelig måte kan tilpasses ulike driftsforhold. The purpose of the invention is to provide a machine which can be adapted to different operating conditions in a simple and reasonable way.

Dette oppnås med den foreliggende oppfinnelsen slik den angis i det selvstendige patentkravet. De ulike utførelsene av den foreliggende oppfinnelsen er definert i de uselvstendige patentkravene. This is achieved with the present invention as stated in the independent patent claim. The various embodiments of the present invention are defined in the independent patent claims.

Maskin i følge den foreliggende oppfinnelsen omfatter et antall sett av kretser, Machine according to the present invention comprises a number of sets of circuits,

der hvert sett av kretser omfatter: where each set of circuits comprises:

-en kompresjonsenhet omfattende minst et hus, der minst et trykkoverførende element deler huset i minst to trykkamre, - en ekspansjonsenhet omfattende minst et hus, der minst et trykkoverførende element deler huset i minst to ekspansjonskamre, -hvert ekspansjonskammer er forbundet til et kompresjonskammer ved et varmevekslerarrangement, -de to trykkoverførende elementene beveges i takt, faseforskjøvet i forhold til hverandre ved en fasevinkel. Maskinen er kjennetegnet ved at fasevinkelen er forskjellig fra 90°. - a compression unit comprising at least one housing, where at least one pressure-transmitting element divides the housing into at least two pressure chambers, - an expansion unit comprising at least one housing, where at least one pressure-transmitting element divides the housing into at least two expansion chambers, - each expansion chamber is connected to a compression chamber by a heat exchanger arrangement, -the two pressure-transmitting elements move in step, phase-shifted relative to each other by a phase angle. The machine is characterized by the phase angle being different from 90°.

I en utførelse av den foreliggende oppfinnelsen fungerer maskinen etter Stirling-syklusen og den kan fortrinnsvis benyttes som motor, varmepumpe eller kjølemaskin. In an embodiment of the present invention, the machine works according to the Stirling cycle and it can preferably be used as a motor, heat pump or cooling machine.

Fasevinkelen kan velges fast for den enkelte maskin, men maskinen kan også ifølge en utførelse av den foreliggende oppfinnelsen—utformes slik at fasevinkelen kan The phase angle can be chosen fixed for the individual machine, but the machine can also, according to an embodiment of the present invention—be designed so that the phase angle can

endres mens maskinen er i drift. changes while the machine is in operation.

Fasevinkelen kan endres for den enkelte maskin på ulike vis. Ifølge en utførelse av maskinen vil fasevinkelen endres ved at en av maskinens komponenter, fortrinnsvis maskinens veivaksel, byttes ut. Maskinen kan ha ulike konfigurasjoner. I en utførelse plasseres kompresjonsenheten(e) og ekspansjonsenheten(e) aksielt forskjøvet langs maskinens veivaksel. The phase angle can be changed for the individual machine in different ways. According to one embodiment of the machine, the phase angle will change when one of the machine's components, preferably the machine's crankshaft, is replaced. The machine can have different configurations. In one embodiment, the compression unit(s) and the expansion unit(s) are placed axially offset along the machine's crankshaft.

Varmevekslerarrangementet kan være tilveiebragt på ulike vis. Ifølge en utførelse omfatter varmevekslerarrangementet tre varmevekslere, fortrinnsvis en ekspansjonsvarmeveksler, en regenerator og en kompresjonsvarmeveksler. The heat exchanger arrangement can be provided in various ways. According to one embodiment, the heat exchanger arrangement comprises three heat exchangers, preferably an expansion heat exchanger, a regenerator and a compression heat exchanger.

Ekspansjons enheten og/eller kompresjonsenheten kan hver omfatte flere hus som er koaksialt koblet sammen og at de trykkoverførende elementene i hvert hus kan være koblet sammen, fortrinnsvis ved en stiv forbindelse som en stempelstang. Ekspansjonsenheten og/eller kompresjonsenheten kan utgjøres av en sylinderkonstruksjon. Det trykkoverførende elementet kan utgjøres av et stempel. The expansion unit and/or the compression unit can each comprise several housings that are coaxially connected together and that the pressure transmitting elements in each housing can be connected together, preferably by a rigid connection such as a piston rod. The expansion unit and/or the compression unit can consist of a cylinder construction. The pressure-transmitting element can be constituted by a piston.

Ifølge en utførelse av den foreliggende oppfinnelsen kan ekspansjonsenheten omfatte et partall antall ekspansjonskamre og kompresjonsenheten kan omfatte et partall antall kompresjonskamre. Ifølge denne utførelsen vil et partall antall varmevekslerarrangement forbinde et ekspansjonskammer til et kompre sj onskamme r. According to one embodiment of the present invention, the expansion unit may comprise an even number of expansion chambers and the compression unit may comprise an even number of compression chambers. According to this embodiment, an even number of heat exchanger arrangements will connect an expansion chamber to a compression chamber.

I en utførelse av oppfinnelsen kan minst en av kompresjonsenhetene eller ekspansjonsenhetene med tilhørende trykkoverførende element(er) være forbundet med maskinens drivverk, gjennom strukturer som er utformet langstrakte, fortrinnsvis slanke. Strukturene kan utgjøres av et en stempelstang og en konsentrisk rørformet komponent som forbinder kompresjons- eller ekspansjonsenheten med en motorblokk. In one embodiment of the invention, at least one of the compression units or expansion units with associated pressure transmitting element(s) can be connected to the machine's drive mechanism, through structures that are designed to be elongated, preferably slim. The structures can consist of a piston rod and a concentric tubular component that connects the compression or expansion unit to an engine block.

Oppfinnelsen vil i det etterfølgende forklares ifølge et eksempel på en utførelse av oppfinnelsen slik den vises på figurene; The invention will subsequently be explained according to an example of an embodiment of the invention as shown in the figures;

Fig 1 viser prinsippene for Stirling-syklusen, Fig 1 shows the principles of the Stirling cycle,

Fig 2 viser en Stirling-maskin i alfa-konfigurasjon, Fig 2 shows a Stirling machine in alpha configuration,

Fig 3 viser en Stirling-maskin i en dobbeltvirkende alfa-konfigurasjon, og Fig 3 shows a Stirling machine in a double acting alpha configuration, and

Fig 4 viser maskin ifølge den foreliggende oppfinnelsen. Fig 4 shows a machine according to the present invention.

Stirling-syklusen er en termodynamisk syklus som består av 4 prosesser: isoterm kompresjon, isokor temperaturøkning, isoterm ekspansjon og isokor temperatursenking, av et arbeidsmedium i gassform. Varme utveksles med eksterne temperaturreservoarer under kompresjon og ekspansjon. Varmen som blir frigjort ved temperatursenkningen tilføres ved temperaturøkningen, tapsfritt. Syklusen er (som carnotsyklusen) reversibel og har den høyeste oppnåelige termiske virkningsgrad. Syklusen er vist i- på fig. 1. The Stirling cycle is a thermodynamic cycle consisting of 4 processes: isothermal compression, isochoric temperature increase, isothermal expansion and isochoric temperature decrease, of a working medium in gaseous form. Heat is exchanged with external temperature reservoirs during compression and expansion. The heat that is released when the temperature drops is added when the temperature rises, loss-free. The cycle is (like the Carnot cycle) reversible and has the highest achievable thermal efficiency. The cycle is shown in fig. 1.

Stirlingmotorer (og -varmepumper) baserer seg på de samme 4 prosessene som den ideelle Stirling-syklusen, men er realisert ved hjelp av sylindervolumer og varmevekslere, slik at syklusen i praksis avviker fra den ideelle syklusen. Den praktiske syklusen er vist på fig. 1. Stirling engines (and heat pumps) are based on the same 4 processes as the ideal Stirling cycle, but are realized using cylinder volumes and heat exchangers, so that the cycle in practice deviates from the ideal cycle. The practical cycle is shown in fig. 1.

Stirling-maskiner (motorer og varmepumper/kjølemaskiner) er oftest realisert ved at to sylindervolumer Ve og Vc er knyttet sammen gjennom tre varmevekslere, kalt ekspansjonsvarmeveksler Xe, regenerator Xr og kompresjonsvarmeveksler Xc. Se fig. 2. Disse volumene utgjør en lukket krets. Varmevekslerne sørger for at kompresjonen, som hovedsakelig foregår i kompresjonsvolumet, blir tilnærmet isoterm, og at ekspansjonen, som hovedsakelig foregår i ekspansjonsvolumet, blir tilnærmet isoterm. Regeneratoren sørger for lagring av arbeidsmediets varme ved de tilnærmet isokore temperaturendringene. Stirling machines (engines and heat pumps/refrigerators) are most often realized by connecting two cylinder volumes Ve and Vc through three heat exchangers, called expansion heat exchanger Xe, regenerator Xr and compression heat exchanger Xc. See fig. 2. These volumes form a closed circuit. The heat exchangers ensure that the compression, which mainly takes place in the compression volume, is approximately isothermal, and that the expansion, which mainly takes place in the expansion volume, is approximately isothermal. The regenerator ensures the storage of the working medium's heat during the approximately isochoric temperature changes.

Den vinkelen veivakselen må rotere med mellom posisjonen der Ve har maksimalt volum og posisjonen der Vc har maksimalt volum, er kalt fasevinkelen. Fasevinkelen har betydning for maskinens kompresjonsforhold, slagvolum og arbeidsmediets temperaturamplituder. Disse parametrene har betydning for ytelse og termisk virkningsgrad. The angle at which the crankshaft must rotate between the position where Ve has maximum volume and the position where Vc has maximum volume is called the phase angle. The phase angle is important for the machine's compression ratio, stroke volume and the temperature amplitude of the working medium. These parameters are important for performance and thermal efficiency.

En Stirling-maskin der kretsen består av to sylindre med hvert sitt stempel, der mesteparten av gassen befinner seg i den ene sylinderen ved kompresjon og i den andre sylinderen ved ekspansjon, kalles en alfa-konfigurasjon, og er vist i-på fig.2. A Stirling machine in which the circuit consists of two cylinders each with its own piston, where most of the gas is in one cylinder during compression and in the other cylinder during expansion, is called an alpha configuration, and is shown in fig.2 .

En Stirling-maskin der flere kretser er koblet sammen, slik at hvert stempel avgrenser én krets på den ene siden og én annen krets på den andre siden av stempelet, betegnes som en dobbeltvirkende alfa-konfigurasjon, og er vist i-på fig. 3. A Stirling machine in which several circuits are connected so that each piston bounds one circuit on one side and another circuit on the other side of the piston is referred to as a double-acting alpha configuration, and is shown in fig. 3.

Maskiner med dobbeltvirkende alfa-konfigurasjon er vanligvis bygd opp slik at hvert stempel er kompresjonsstempel for én krets og ekspansjonsstempel for en annen krets, gjerne med 4 sylindre og 90 graders fasevinkel mellom sylindrene. I høytemperatur-Stirlingmotorer er det nødvendig å koble kretsene sammen på denne måten, for at ikke temperaturen i stempelringene skal overstige materialets bruksgrense. Machines with a double-acting alpha configuration are usually built so that each piston is a compression piston for one circuit and an expansion piston for another circuit, preferably with 4 cylinders and a 90 degree phase angle between the cylinders. In high-temperature Stirling engines, it is necessary to connect the circuits together in this way, so that the temperature in the piston rings does not exceed the material's service limit.

Med normal dobbeltvirkende alfa-konfigurasjon, er fasevinkelen mellom gasskretsene bestemt av antall sylindre, slik at 4-sylindrede motorer får 90 graders fasevinkel, 3-sylindrede motorer får 120 grader fasevinkel, mens det er noe større frihet med flere sylindre, da fasevinklene kan gå opp med n x 360 grader istedenfor med 1x360 grader, for eksempel kan en 5-sylindret maskin realiseres med 72 eller 144 grader fasevinkel. With normal double-acting alpha configuration, the phase angle between the gas circuits is determined by the number of cylinders, so that 4-cylinder engines get 90 degrees of phase angle, 3-cylinder engines get 120 degrees of phase angle, while there is somewhat more freedom with more cylinders, as the phase angles can go up by n x 360 degrees instead of 1x360 degrees, for example a 5-cylinder machine can be realized with a 72 or 144 degree phase angle.

I lavtemperatur-Stirlingmotorer og i Stirling-kjølemaskiner, kan det benyttes stempelringer som tåler temperaturene som vil oppstå i maskinen, og det er derfor mulig å realisere en annen konfigurasjon, der sylindervolumer med samme funksjon, og dermed tilsvarende temperaturforhold er samlet. Dette gjør det mulig å konstruere Stirling-maskiner med mindre termisk kortslutning mellom varme og kalde prosessdeler, og dermed økt termisk virkningsgrad. Dette prinsippet er vist i på fig. 4. In low-temperature Stirling engines and in Stirling cooling machines, piston rings can be used that can withstand the temperatures that will occur in the machine, and it is therefore possible to realize another configuration, where cylinder volumes with the same function, and thus corresponding temperature conditions, are combined. This makes it possible to construct Stirling machines with less thermal short-circuiting between hot and cold process parts, and thus increased thermal efficiency. This principle is shown in fig. 4.

Med denne konfigurasjonen er det mulig å realisere flerkretsede maskiner med vilkårlig fasevinkel mellom gasskretsene, som følge av at hvert par av to gasskretser, avgrenset av to felles, dobbeltvirkende stempler, nødvendigvis vil være 180 grader faseforskjøvet i forhold til hverandre, og at fasevinkelen for begge gasskretsene i paret er lik og bestemt kun av sylindrenes og veivbuktenes innbyrdes vinkler. Det samme vil være tilfelle, også for andre kraftoverføringsprinsipper. With this configuration, it is possible to realize multi-circuit machines with an arbitrary phase angle between the gas circuits, as a result of the fact that each pair of two gas circuits, delimited by two common, double-acting pistons, will necessarily be 180 degrees phase-shifted in relation to each other, and that the phase angle for both the gas circuits in the pair are equal and determined only by the mutual angles of the cylinders and crankcases. The same will be the case, also for other power transmission principles.

En Stirling-maskins ytelse og termiske virkningsgrad vil variere med driftsbetingelsene, spesielt temperaturforholdene. En Stirling-maskins karakteristikk for ytelse og termisk virkningsgrad som funksjon av temperaturforhold, vil være bestemt blant annet av dens fasevinkel. Generelt vil en maskin med stor fasevinkel være bedre egnet ved lav temperaturforskjell enn ved stor temperaturforskjell, og enn en maskin med liten fasevinkel vil være bedre egnet ved stor temperaturforskjell. Muligheten for å bestemme fasevinkelen vilkårlig, gjør det mulig å oppnå bedre ytelse og termisk virkningsgrad, gjennom at maskinen kan optimaliseres for bestemte temperaturforhold, og ikke være låst til for eksempel 90, 120 eller 144 grader. A Stirling engine's performance and thermal efficiency will vary with operating conditions, particularly temperature conditions. A Stirling engine's performance and thermal efficiency characteristics as a function of temperature conditions will be determined, among other things, by its phase angle. In general, a machine with a large phase angle will be better suited at a low temperature difference than at a large temperature difference, and than a machine with a small phase angle will be better suited at a large temperature difference. The ability to determine the phase angle arbitrarily makes it possible to achieve better performance and thermal efficiency, through which the machine can be optimized for specific temperature conditions, and not be locked to, for example, 90, 120 or 144 degrees.

Med denne konfigurasjonen kan flere maskiner med ulike fasevinkler realiseres med identiske komponenter, med unntak av veivakselen, som vil være forskjellig. Dette gjør det mulig å realisere en serie med motorer tilpasset og optimalisert for ulike driftsforhold, med et investeringsbehov og et produksjonskostnadsnivå som om det bare skulle utvikles én serieprodusert motor. With this configuration, several machines with different phase angles can be realized with identical components, with the exception of the crankshaft, which will be different. This makes it possible to realize a series of engines adapted and optimized for different operating conditions, with an investment requirement and a production cost level as if only one series-produced engine were to be developed.

Flerkretsede Stirling-motorer med et like antall kretser (2 x n kretser) kan realiseres med denne konfigurasjonen, på mange ulike måter, for eksempel kan sylindrene som utgjør ett par av gasskretser være ordnet i V-konfigurasjon, rekke-konfigurasjon eller på annen måte, og flere par av gasskretser kan være plassert vilkårlig i forhold til hverandre, for eksempel aksielt etter hverandre på en veivaksel, vinkelmessig forskjøvet rundt en veivaksel, kombinasjoner av disse, eller sammenkoblet med annen kraftoverføring, elektrisk, hydraulisk eller mekanisk. Multi-circuit Stirling engines with an equal number of circuits (2 x n circuits) can be realized with this configuration, in many different ways, for example, the cylinders that make up a pair of gas circuits can be arranged in a V-configuration, row-configuration or in some other way, and several pairs of gas circuits can be placed arbitrarily in relation to each other, for example axially one behind the other on a crankshaft, angularly offset around a crankshaft, combinations of these, or connected with other power transmission, electrical, hydraulic or mechanical.

Det er også mulig å tenke seg flere par gasskretser plassert over hverandre i stempelbevegelsesretningen, slik at maskinen kan realiseres med flere gasskretser uten å øke antallet stempelstenger med tilhørende stangtetninger. Stangtetningen er en kritisk komponent i motoren, som utover å være komplisert å realisere, også lekker arbeidsmedium, olje motsatt vei, og forbruker effekt. It is also possible to imagine several pairs of gas circuits positioned one above the other in the direction of piston movement, so that the machine can be realized with several gas circuits without increasing the number of piston rods with associated rod seals. The rod seal is a critical component in the engine, which, in addition to being complicated to realize, also leaks working medium, oil in the opposite direction, and consumes power.

Claims

1. Machine comprising a number of sets of circuits, characterized in that each set of circuits comprises: - a compression unit comprising at least one housing, where at least one reciprocating piston divides the housing into at least two compression chambers, - an expansion unit comprising at least one housing, where at least one reciprocating piston divides the housing into at least two expansion chambers, - where each expansion chamber is further connected to a compression chamber by a heat exchanger arrangement, - where the two reciprocating pistons are moved in step, phase-shifted relative to each other by a phase angle , which phase angle is arranged in a manner known per se to be different from 90°.

2. Machine according to claim 1, characterized in that the phase angle can be changed while the machine is in operation.

3. Machine according to claim 1 or 2, characterized in that the phase angle is changed by replacing one of the machine's components, preferably the machine's crankshaft.

4. Machine according to one of the preceding requirements, characterized in that the compression unit(s) and expansion unit(s) are placed axially offset along the machine's crankshaft.

5. Machine according to one of the preceding requirements, characterized in that the heat exchanger arrangement comprises three heat exchangers, preferably an expansion heat exchanger, a regenerator and a compression heat exchanger.

6. Machine according to one of the preceding requirements, characterized by the fact that it works according to a Stirling cycle and that it can preferably be used as an engine, heat pump or cooling machine.

7. Machine according to one of the preceding requirements, characterized in that the expansion unit and the compression unit or the expansion unit or the compression unit each comprise several housings which are coaxially connected together and that the pressure transmitting elements in each housing are connected together, preferably by a rigid connection such as a piston rod.

8. Machine according to one of the preceding requirements, characterized in that the expansion unit comprises an even number of expansion chambers and the compression unit comprises an even number of compression chambers, and that an even number of heat exchanger arrangements connect an expansion chamber to a compression chamber.

9. Machine according to one of the preceding requirements, characterized in that at least one of the compression units or expansion units with associated piston or pistons is connected to the machine's drive mechanism, through structures that are designed to be elongated, preferably slim.

10. Machine according to the preceding requirement, characterized in that the structures are a piston rod and a concentric tubular component connecting the compression or expansion unit to an engine block.