PL223456B1 - Kompaktowy silnik Stirlinga - Google Patents

Abstract

Kompaktowy silnik Stirlinga, zawierający nagrzewnicę, chłodnicę, wypornik, roboczy cylinder, regenerator, korbowody, wał korbowy i łożyska charakteryzuje się tym, że ma na wale korbowym (17) osadzone zamachowe koło (25) z trwałymi magnesami (26), stanowiące wirnik i ma współpracującą z wirnikiem tarczę (28) z uzwojeniami (29), stanowiącą stojan, przymocowaną do wspornika (21), w którym ułożyskowany jest korbowy wał (17).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest kompaktowy silnik Stirlinga przeznaczony do wytwarzania energii elektrycznej i znajdujący zastosowanie w energetyce oraz w indywidualnych gospodarstwach domowych.

Do wytwarzania energii elektrycznej przy użyciu silnika Stirlinga stosuje się generatory energii elektrycznej połączone z wałem korbowym silnika Stirlinga za pomocą przekładni mechanicznej w postaci przekładni ciernej, zębatej, lub łańcuchowej. Zastosowanie przekładni mechanicznej powoduje zmniejszenie mocy użytecznej uzyskiwanej z silnika Stirlinga jak również zwiększa objętość całego zespołu umożliwiającego wytwarzanie energii elektrycznej.

Z opisu patentowego US4511805 znany konwerter energii cieplnej na energię elektryczną z użyciem silnika Stirlinga i zintegrowanego generatora elektrycznego. Przedstawione rozwiązanie odnosi się do silników o spalaniu zewnętrznym zwłaszcza do silników wykorzystujących cykl Stirlinga do bezpośredniego przetwarzania energii cieplnej w elektryczną. Przetwarzanie odbywa się wewnątrz całkowicie szczelnej maszyny, bez mechanicznych połączeń na zewnątrz. Konwerter wyposażony jest w obwód zawierający gorący wymiennik ciepła, regenerator i zimny wymiennik ciepła. W obwodzie krąży płyn roboczy w postaci helu lub powietrza poddawany podgrzewaniu i chłodzeniu. Wspomniany obwód połączony jest z dwoma komorami znajdującymi się w cylindrycznej osłonie i oddzielonymi od siebie tłokiem wypornika. W tej samej cylindrycznej osłonie znajduje się tłok napędowy wyposażony w tłoczysko. Tłoczysko tłoka wypornika usytuowane jest w przelotowym otworze w tłoku napędowym i w tłoczysku tłoka napędowego. Wskutek podgrzewania i chłodzenia płynu roboczego zarówno tłok wypornika jak i tłok roboczy wprawiane są w ruch posuwisto-zwrotny. Do tłoczyska tłoka roboczego przymocowane są magnesy trwałe, które przy ruchu tego tłoka indukują w umieszczonych obok nich uzwojeniach siły elektromotoryczne, a tym samym wytwarzana jest energia elektryczna.

Z opisu patentowego US6510689 znany jest sposób i urządzenie do przekazywania energii mechanicznej miedzy silnikiem Stirlinga a generatorem lub silnikiem elektrycznym. Urządzenie ma wydłużoną obudowę, w której znajdują się dwa przedziały montowane do pośredniego elementu pełniącego rolę ramy. W pierwszym przedziale otoczonym cylindryczną osłoną i stanowiącym przestrzeń roboczą silnika Stirlinga znajduje się tłok złożony z dwóch części. W drugim przedziale znajduje się elastyczny element przytwierdzony do tłoczyska oraz znajdują się nieruchome magnesy trwałe a także przemieszczające się wskutek drgań wywołanymi ruchami posuwisto-zwrotnymi tłoka uzwojenia stanowiące twornik generatora energii elektrycznej.

Z opisu patentowego US6578359 znany jest silnik Stirlinga pozwalający na generowanie energii elektrycznej. Silnik Stirlinga typu γ ma wypornik i cylinder napędowy inaczej zwany roboczym. Ich osie podłużne są wzajemnie skrzyżowane. Tłok wypornika i tłok napędowy są przyłączone do wspólnego wału korbowego.za pomocą odpowiednich korbowodów. Wspólny wał korbowy pełni funkcję wału wyjściowego. Wnętrze głowicy cylindra wypornika jest przez tłok wypornika dzielone na komorę sprężania i komorę rozprężania. Komora sprężania i komora rozprężania połączone są ze sobą przez przejście komunikacyjne, w którym znajduje się regenerator ciepła. Tłok wyporn ika i tłok napędowy są względem siebie przesunięte w fazie o 90°. Przy komorze sprężania znajduje się moduł grzejny stanowiący nagrzewnicę, a przy komorze rozprężania znajduje się chłodnica. W komorze sprężania, komorze rozprężania oraz w przejściu komunikacyjnym znajduje się gaz roboczy, który wskutek nagrzewania go i chłodzenia wywołuje ruch tłoka wypornika i tłoka roboczego. Przechodzący przez przejście komunikacyjne gaz roboczy zmienia swoją temperaturę. W przejściu komunikacyjnym znajduje się jarzmo zawierające magnes trwały oraz uzwojenie. Wskutek zamiany temperatury zmienia się indukcja magnesu, co wywołuje indukowanie się siły elektromotorycznej w uzwojeniu a tym samym następuje wytwarzanie energii elektrycznej.

Wadą znanych rozwiązań jest mała sprawność uzyskiwania energii elektrycznej w stosunku do energii cieplnej traconej w silniku Stirlinga.

Wolny od przedstawionych niedogodności jest kompaktowy silnik Stirlinga zawierający nagrzewnicę, chłodnicę, wypornik, cylinder roboczy, regenerator, korbowody, wał korbowy, łożyska, który według wynalazku ma na wale korbowym osadzone koło zamachowe z magnesami trwałymi stanowiące wirnik i ma współpracującą z wirnikiem tarczę z uzwojeniami stanowiącą stojan przymocowaną do wspornika, w którym ułożyskowany jest wał korbowy.

PL 223 456 B1

Zaletą wynalazku jest możliwość wytwarzania energii elektrycznej bez konieczności zastosowania przekładni mechanicznej i oddzielnego generatora, a także zwiększenie sprawności w porównaniu ze znanymi rozwiązaniami.

Wynalazek zostanie objaśniony na podstawie rysunku, na którym fig. 1 przedstawia kompaktowy silnik Stirlinga w widoku aksonometrycznym, fig. 2 pokazuje kompaktowy silnik Stirlinga w przekroju, fig. 3 pokazuje od strony wirnika tarczę z uzwojeniami stanowiącą stojan, fig. 4 pokazuje od strony stojana koło zamachowe z magnesami trwałymi, fig. 5 pokazuje połączenie elektryczne uzwojeń stojana.

Kompaktowy silnik Stirlinga zamocowany na czterech nóżkach 1 przytwierdzonych do podstawy 2. Silnik zawiera cylinder wypornika 3, wewnątrz którego znajduje się wypornik 4. Zamknięta na jednym końcu część cylindra wypornika 3 stanowi nagrzewnicę 5, która podgrzewana jest od zewnątrz. Drugi koniec cylindra wypornika 3 przytwierdzony jest do regeneratora 6. Na zewnętrznej, przylegającej do regeneratora 6, części cylindra wypornika 3 znajduje się chłodnica 7. Średnica wypornika 4 jest o kilkadziesiąt mikrometrów mniejsza od wewnętrznej średnicy cylindra wypornika 3. Do wypornika 4 jednym końcem przymocowane jest tłoczysko wypornika 8, którego drugi koniec za pomocą sworznia 9 połączony jest z korbowodem wypornika 10. Tłoczysko wypornika 8 umieszczone jest w prowadnicy 11 umocowanej w regeneratorze 6. Do regeneratora 6 przymocowany jest cylinder roboczy 12, wewnątrz którego znajduje się tłok roboczy 13 połączony z końcem tłoczyska tłoka roboczego 14. Drugi koniec tłoczyska tłoka roboczego 14 za pomocą sworznia 15 połączony jest z korbowodem tłoka roboczego 16. Kompaktowy silnik Stirlinga wyposażony jest w wał korbowy 17, na którego jednym końcu jest korba wypornika 18 współpracująca z korbowodem wypornika 10, a na drugim końcu korba tłoka roboczego 19 współpracująca z korbowodem tłoka roboczego 16.

Do regeneratora 6 przytwierdzone są dwa wsporniki: lewy wspornik 20 i prawy wspornik 21, w których ułożyskowany jest za pomocą łożysk 22 korbowy wał 17. Pomiędzy wspornikami 20 i 21 znajdują się usztywniające układ poprzeczki 23. Na korbowym wale 17 pomiędzy lewym wspornikiem 20 i prawym wspornikiem 21 osadzone jest z wykorzystaniem śruby 24 zamachowe koło 25, wyposażone od strony prawego wspornika 21 w obwodowo rozmieszczone, biegunami naprzemiennie, trwałe magnesy 26. Do prawego wspornika 21 od strony zamachowego koła 25 za pomocą wkrętów 27 przymocowana jest okrągła tarcza 28, do której przymocowanych jest dziewięć uzwojeń 29. Wewnątrz regeneratora 6 znajduje się kanał 30 łączący wnętrze cylindra wypornika 3 z wnętrzem roboczego cylindra 12. Dwie z nóżek 1 przytwierdzone są do regeneratora 6, a dwie pozostałe nóżki do wspornika lewego 20 i prawego 21.

W cylindrze wypornika 3, w roboczym cylindrze 12 i w kanale 30 znajduje się gaz roboczy. Przy dostarczeniu ciepła z zewnątrz do nagrzewnicy 5 wypornik 4 przemieszcza się w dół, a zimny tłok 13 przesuwa się do górnej części cylindra przy obrocie wału korbowego 17 o 90°. Gaz roboczy jest przesuwany z zimnej strefy do gorącej cylindra 12, a tym samym ciśnienie gazu w silniku wzrasta. Po obrocie o 90° następuje rozprężenie gazu, a wypornik 4 i roboczy tłok 12 przemieszczają się. Wskutek tego przemieszczenia korbowy wał 17 obraca się o kąt 90°, zaś wskutek uzyskania momentu bezwładności przez zamachowe koło 25 korbowy wał 17 obraca się o następne 90°. Następnie wypornik 4 przesuwa się do górnej części a roboczy tłok 3 do części dolnej. Gaz roboczy przemieszcza się z gorącej przestrzeni do zimnej, natomiast ciśnienie gazu roboczego w silniku maleje. Wypornik 4 i roboczy tłok 12 przesuwają się do dolnej części w czasie sprężania gazu roboczego.

Korba wypornika 18 na korbowym wale 17 jest przesunięta względem korby tłoka roboczego 16 o 90°. Obracanie się korbowego wału 17 powoduje, że w uzwojeniach 29 tarczy 28 stanowiącej stojan indukują się siły elektromotoryczne wskutek obracania się stanowiącego wirnik zamachowego koła 25 z trwałymi magnesami 26.

Na fig. 5 pokazany został przykładowy układ połączeń ze sobą dziewięciu uzwojeń 29 w celu uzyskania trójfazowego generatora energii elektrycznej. Początki uzwojeń oznaczone są literą P, zaś końce literą K. Końce uzwojeń 29 pierwszego K1, drugiego K2 i trzeciego K3 połączone są wzajemnie ze sobą. Początek pierwszego uzwojenia P1 połączony jest z końcem K4 czwartego uzwojenia. Początek drugiego uzwojenia P2 połączony jest z końcem K5 piątego uzwojenia. Początek trzeciego uzwojenia P3 połączony jest z końcem K6 szóstego uzwojenia. Początek czwartego uzwojenia P4 połączony jest z końcem K7 siódmego uzwojenia. Początek piątego uzwojenia P5 połączony jest z końcem K8 ósmego uzwojenia. Początek szóstego uzwojenia P6 połączony jest z końcem K9

PL 223 456 B1 dziewiątego uzwojenia. Początek uzwojenia siódmego P7 stanowi wyjście pierwszej linii fazy F1, początek uzwojenia ósmego P8 stanowi wyjście drugiej linii fazy F2, a początek uzwojenia dziewiątego P9 stanowi wyjście trzeciej linii fazy F3.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Kompaktowy silnik Stirlinga zawierający nagrzewnicę, chłodnicę, wypornik, cylinder roboczy, regenerator, korbowody, wał korbowy, łożyska, znamienny tym, że ma na wale korbowym (17) osadzone koło zamachowe (25) z magnesami trwałymi (26) stanowiące wirnik i ma współpracującą z wirnikiem tarczę (28) z uzwojeniami (29) stanowiącą stojan przymocowaną do wspornika (21), w którym ułożyskowany jest wał korbowy (17).