SE414328C - Dubbelverkande, fyrcylindrig stirling-motor - Google Patents

Description

10 15 20 25 30 35 . '7810529-3 2 rer har utvecklats, vilka kan inordnas i två huvudtyper av motorer, nämligen en första typ, vid vilken cylindrarna är anordnade i ett kvadratiskt arrangemang med mellanliggande eller utanför belägna regenerator/kylare-enheter,och en andra typ, vid vilken cylindrarna är anordnade i rad efter varandra med regenerator/kylare-enheterna belägna på den ena eller båda sidor om cylinderraden. dTill den första typen hör motorer med s k swash-plate, motorer med s k wobble-plate, motorer med V-ställda cylind- rar och motorer med dubbla, medelst kugghjul kopplade vev- axlar. Vid motorer med s k swash-plate och motorer med s k wobble-plate utnyttjas en speciell och komplicerad teknolo- gi. Dessa motorer är liggande motorer med avsevärd längd, vilket av bl a utrymmesskäl många gånger kan vara till nackdel. Vid motorer med V-ställda cylindrar kompliceras dels de cylindrarna och regeneratorerna förbindande rörens anslutning till brännkammaren och dels regeneratorernas pla- cering relativt cylindrarna. Motorer med dubbla vevaxlar är dyrbara och ofördelaktiga med hänsyn till mekaniska frik- tionsförluster. Vidare föreligger vid dessa motorer stor risk för buller och förslitning i kugghjulen, eftersom dessa utsättes för mycket varierande vridmoment.

Till den andra typen hör dels motorer, vid vilka cylind- rarna har var sin värmare och brännkammare och vid sin kalla sida är så förbundna med tillhörande kylare, att varannan förbindning är lång och varannan är kort, dels motorer, vid vilka cylindrarna två och tvâ har en gemensam värmare och brännkammare. Vid dessa motorer av den andra typen kräves således fyra resp tvâ brännkammare per motor om fyra cylind- rar.

Såsom framgar, har båda de ovan angivna huvudtyperna av dubbelverkande, fyrcylindriga Stirling-motorer speci- ella nackdelar och uppfyller ingen av ovannämnda Stirling- motorer på ett enkelt sätt nedanstående krav och önskemål: l) Förbindningarna mellan cylindrarnas övre, varma del och regeneratorerna måste vara sådana, att en värmeväxlare, värmare, får lämplig area för värmeöverföring och lämplig flödesfördelning av förbränningsgas och arbetsgas utan att 10 15 20 25 30 35 7810529-3 3 onödiga, döda volymer föreligger. 2) Förbindningen mellan cylindrarnas, kalla del och ky- larna måste vara korta, dvs deras volym bör stå i ett rim- ligt förhållande till cylindervolymen, och sinsemellan lika långa. 3) De fyra kolvstängerna bör sammankopplas mekaniskt me- delst ett enda element, vilket bör ha enkel konstruktion, som baseras på känd teknik, och exempelvis utgöras av en vevaxel av konventionellt slag. 4) De fyra värmarenheterna, en för varje cylinder, bör tillsammans bilda en enda rotationssymmetrisk brännkammar- enhet med erforderlig volym för förbränningsprocessen. 5) En enkel och kompakt uppbyggnad av cylindrarna och re- agenerator/kylare-enheterna är önskvärd. Delningar mellan varm och kall del av cylinderblocket skall gå lätt att ut-d föra. 6) Friktionsförlusterna i den mekaniska kraftöverföringen måste hållas låga, varför antalet rörliga delar och lager- ytor bör minimeras. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att åstad- komma en dubbelverkande, fyrcylindrig Stirling-motor, vid vilken ovannämnda nackdelar vid de kända Stirling-motorerna är undanröjda och vilken tillgodoser ovannämnda krav och önskemål. Detta ändamål uppnås med en Stirling-motor, som är av det inledningsvis nämnda slaget och som enligt upp- finningen kännetecknas därav, att cylindrarnas övre, varma delar står i förbindelse med var sitt över 900 sig sträc- kande, cirkelbâgformigt cylindersamlingsrör, vilka cylin- dersamlingsrör tillsammans bildar en horisontell, första ring; att regeneratorerna står i förbindelse med var sitt över 900 sig sträckande, cirkelbågformigt regeneratorsam- lingsrör, vilka regeneratorsamlingsrör tillsammans bildar en horisontell, andra ring, vars centrumaxel sammanfaller med den första ringens centrumaxel och vars diameter är större än den första ringens diameter, att cylindrarna är anordnade i rad efter varandra längs en rät linje, som skär den första och den andra ringens gemensamma centrumaxel un- der rät vinkel, samt att regenerator/kylare-enheterna är _vs1os29-z 10 15 20 25 30 35 4 fördelade längs en cirkel, vars centrumaxel sammanfaller med den första och den andra ringens gemensama centrum- axel och vars diameter är större än den första ringens diameter.

Uppfinningen skall nu beskrivas närmare under hänvis- ning till bifogade ritningar.

Fig l visar schematiskt funktionsprincipen för en dub- belverkande, fyrcylindrig Stirling-motor.

Fig 2 visar schematiskt ett cylinderarrangemang vid en Stirling-motor enligt uppfinningen uppifrån.

Fig 3 visar schematiskt ett annat cylinderarrangemang vid en Stirling-motor enligt uppfinningen uppifrån.

Innan den dubbelverkande, fyrcylindriga Stirling-motorn enligt föreliggande uppfinning beskrives närmare, skall först funktionsprincipen för en dubbelverkande, fyrcylind- rig Stirling-motor beskrivas under hänvisning till fig 1, vilken visar fyra cylindrar la, lb, lc, ld med tillhörande kolvar 2a, 2b, 2c resp 2d. Till varje cylinder la, lb, lc, ld hör också en regenerator/kylare-enhet 3a, 3b, 3c resp 3d, som består av en upptill belägen regenerator 4a, 4b, 4c resp 4d och en nedtill belägen kylare 5a, Sb, 5c resp Sd, vilka står i förbindelse med varandra. Varje cylinder la-ld har ovanför respektive kolv 2a-2d en övre, varm del och under respektive kolv 2a-2d en nedre, kall del.

Cylindrarnas la, lb, lc, ld varma del står via ett rör- system 6a, 6b, 6c resp 6d i förbindelse med respektive re- generator 4a-4d. Varje rörsystem 6a-6d bildar en värmeen- het eller värmare och sträcker sig upp i en brännkammare 7, i vilken en kontinuerlig förbränning av förbränningsgas äger rum. Varje cylinders la, lb, lc, ld kylare Sa, Sb, 5c resp 5d står via ett rör 8a, 8b, 8c resp 8d i förbindelse med nästa cylinders lb, lc, ld resp la kalla del. Cylind- rarna la-ld, rörsystemen Ga-6d, regenerator/kylare-enheterna 3a-3d och rören 8a-8d bildar således ett helt slutet sys- tem, i vilket arbetsgas, vanligtvis väte eller helium, in- rymmes. Arbetsgasen förflyttas medelst respektive kolv 2a-2d kontinuerligt fram och tillbaka mellan den varma de- len hos en cylinder la-ld och den kalla delen hos nästa cy- 10 15 20 25 30 35 7810529-3 5 linder. Härvid tillföres arbetsgasen värme i värmarna eller rörsystemen 6a-6d. Regeneratorerna 4a-4d avger värme till arbetsgasen, då denna förflyttas från kall del till varm del, och lagrar värme, då arbetsgasen förflyttas från varm del till kall del. Kylarna 5a-Sd upptager det under kom- pression av arbetsgasen bildade värmet. Härigenom hâlles arbetsgasens temperatur huvudsakligen konstant såväl på den varma sidan som på den kalla sidan.

Vid det i fig 2 visade cylinderarrangemanget är de fyra cylindrarna la-ld anordnade i rad efter varandra längs en rät linje L, varvid avstånden mellan varandra närbelägna cylindrar är lika stora. Varje cylinders la, lb, lc, ld varma del står via ett rörstycke 9a, 9b, 9c resp 9d i för- bindelse med ett över 90° sig sträckande, cirkelbågformigt cylindersamlingsrör l0a, l0b, l0c resp l0d vid dettas ena ände. Cylindersamlingsrören l0a-l0d är skilda från varandra och bildar tillsammans en ungefär i nivå med cylindrarnas la-ld övre yta belägen, horisontell första ring ll, vars centrum C är beläget mittemellan de två mellersta cylind- rarna lb och lc och vars radie är sådan, att cylindrarna la-ld är belägna på samma avstånd från ringen ll.

De fyra regenerator/kylare-enheterna 3a-3d är likfor- migt fördelade längs en cirkel C3, vars centrumaxel sam- manfaller med den första ringens ll centrumaxel och vars radie är större än den första ringens ll radie. Varje re- generator 4a, 4b, 4c, 4d står via ett rörstycke l2a, l2b, l2c resp l2d i förbindelse med ett över 900 sig sträckande, cirkelbâgformigt regeneratorsamlingsrör l3a, l3b, l3c resp l3d vid dettas mittpunkt. Regenerator/kylare-enheternas 3a-3d centrumaxlar är belägna rakt under respektive rege- neratorsamlingsrörs l3a-l3d mittpunkt, varvid rörstyckena l2a-l2d sträcker sig lodrätt uppåt från regeneratorerna 4a-4d-till respektive regeneratorsamlingsrörs l3a-l3d mitt- punkt. Regeneratorsamlingsrören l3a-l3d är skilda från var- andra och bildar tillsammans en ovanför respektive regenera- tor 4a-4d belägen, horisontell andra ring 14, som har samma radie som nämnda cirkel C3 och vars centrumaxel sammanfal- ler med cirkelns C3 och den första ringens ll gemensamma 7810529-3 10 15 20 I 25 30 35 centrumaxel.

Cylindersamlingsrören l0a-l0d och regeneratorsamlings- rören l3a-l3d är så anordnade, att det plan, som innehå- ler ovannämnda räta linje L och ovannämnda gemensamma cen- trumaxel, också innehåller delningspunkterna mellan såväl två par l0a, l0c och lOb, l0d av varandra närbelägna cylin- dersamlingsrör som två par l3a, l3c och l3b, l3d av var- andra närbelägna regeneratorsamlingsrör.

Varje kylare Sa, 5b, 5c, 5d står via ett förbindelse- rör 8'a, 8'b, 8'c resp 8'd i förbindelse med nästa cylin- ders lc, la, ld resp lb kalla del. De fyra förbindelserö- ren 8'a-8'd är lika långa.

Mellan cylindersamlingsröret och regeneratorsamlings- röret 1 varje par loa, iaa; iob, 13b; loa, lac och lcd, l3d av cylindersamlingsrör och regeneratorsamlingsrör sträc- ker sig en serie U-formigt böjda, cylíndersamlingsröret och regeneratorsamlingsröret förbindande, tätt anordnade rör- stycken 6'a, 6'b, 6'c resp 6'd, av vilka endast två per par visas i fig 2 och vilka sträcker sig upp i brännkammaren 7.

Rörstyckenas 6'a-6'd skänklar sträcker sig lodrät uppåt från respektive cylindersamlingsrör l0a-l0d och regenera- torsamlingsrör l3a-l3d och deras liv sträcker sig i radiell riktning. * Det i fig 3 visade cylinderarrangemanget skiljer sig från det i fig 2 visade därigenom, att regenerator/kylare- enheterna 3b och 3c bytt plats med varandra, att cylinder- samlingsrören l0b och l0d sträcker sig från cylindrarna lb resp ld åt höger (fig 3) istället för åt vänster (fig 2), att cylindersamlingsrören>I0a och l0c sträcker sig från cylindrarna la resp lc åt vänster (fig 3) istället för åt höger (fig 2) och att kylarna 5a, 5b, 5c och Sd medelst förbindelserör 8"a, 8"b, 8"c resp 8"d är anslutna till cy- lindrarna lb, ld, la resp lc (fig 3) istället för till cy- lindrarna lc, la, ld resp lb (fig 2). Vidare skiljer sig det i fig 3 visade arrangemanget från det i fig 2 visade därigenom, att de cylindersamlingsrören l0a-l0d med respek- tive regeneratorsamlingsrör l3a-l3d förbindande, böjda rör- styckenas 6“a, 6"b, 6"c, 6"d (av vilka endast ett per par vi- 10 15 20 25 7810529-3 7 sas i fig 3) utgång till respektive regeneratorsamlingsrör l3a-l3d är förskjuten 900 i förhållande till deras ingång från respektive cylindersamlingsrör l0a-l0d. Här krävs så- ledes rörstycken, som har något mer komplicerad form än rörstyckena 6'a-6'd vid cylinderarrangemanget enligt fig 2.

Rörstyckena 6'a-6'd har så enkel form, att de kan framstäl- las av keramiska material, medan rörstyckena 6“a-6"d lämp- ligen framställes av metalliska material.

Med de 1 fig 2 och 3 visade cylinderarrangemangen upp- fylles de uppställda kraven och önskemålen beträffande funktion och prestanda för den dubbelverkande, fyrcylindri- ka Stirling-motorn. Såsom framgår av fig 2 och 3, är den ordningsföljd mellan cylindrarna, enligt vilken den termo- dynamiska cykeln utspelas, eller "tändföljden" vid arrange- manget enligt fig 2 a-c-d-b och vid arrangemanget enligt fig 3 a-b-d-c. Dessa ordningsföljder möjliggör utnyttjande av på gynnsamt sätt utformade, konventionella vevaxlar.

De i fig 2 och 3 visade cylinderarrangemangen kan mo- difieras pâ en mängd olika sätt genom att ordningsföljden för regenerator/kylare-enheterna 3a-3d längs cirkeln C3 l0a-l0d utsträck- ning från respektive cylinder la-ld åt höger eller vänster ändras, genom att cylindersamlingsrörens varieras och genom att kylarna Sa-Sd anslutes till cylin- rarna la-ld i annan följd. Härigenom kan åstadkommas andra "tändföljder", som också möjliggör utnyttjande av på gynn- samt sätt utformade, konventionella vevaxlar. 7

Claims (5)

1. '?810529~3 10 15 20 25 30 22 PATENTKRAV l. Dubbelverkande, fyrcylindrig Stirling-motor, i vilken en rotationssymmetrisk brännkammare (7) är anordnad för uppvärmning av arbetsgas; en i var och en av motorns fyra cylindrar (la-ld) anordnad kolv (2a-2d) indelar respektive cylinder i_en övre, varm del och en nedre, kall del; cylindrarna har var sin regenerator/kylare- enhet (3a-3d) med en upptill belägen regenerator (4a-4d) och en nedtill belägen kylare (Sa-Sd), som står i för- bindelse med regeneratorn; varje cylinders varma del står i förbindelse med respektive regenerator medelst ett rör- system (6a-6d, É'a-6'd, 6"a-6"d), som sträcker sig in i brännkammaren; varje cylinders kalla del står i förbindel- se med var sin kylare i en till en annan cylinder hörande regenerator/kylare-enhet; cylindrarnas (la-ld) övre, varma delar står i förbindelse med var sitt över 900 sig sträckan- de, cirkelbågformigt cylindersamlingsrör (l0a-10d), vilka cylindersamlingsrör tillsammans bildar en horisontell, första ring (ll); och regeneratorerna (4a-4d) står i för- bindelse med var sitt över 90° sig sträckande, cirkel- bågformigt regeneratorsamlingsrör (l3a-l3d), vilka regene- ratorsamlingsrör tillsammans bildar en horisontell, andra ring (14), vars centrumaxel sammanfaller med den första ringens (ll) centrumaxel och vars diameter är större än den första ringens (ll) diameter, k ä n n e t e c k n a d därav, att cylindrarna (la-ld) är anordnade i rad efter varandra längs en rät linje (L), som skär den första och den andra ringens (ll resp 14) gemensamma centrumaxel under rät vinkel, att cylindrarna (la-ld) är belägena på samma avstånd från den första ringen (ll), att cylindrarna (la-ld) är belägna i närheten av och anslutna till respekti- ve cylindersamlingsrörs (l0a-l0d) ena ände, att regenerator/- kylare-enheterna (3a-3d) är likformigt fördelade längs en cirkel (C3), vars centrumaxel sammanfaller med den första och den andra ringens (ll resp 14) gemensamma centrumaxel och vars diameter är större än den första ringens (ll) 10 15 20 7810529-3 “7 diameter, samt att regeneratorerna (4a-4d) är anslutna till respektive regeneratorsamlingsrörs (l3a-l3d) mitt- punkt.
2. 2. Motor enligt patentkravet l, k ä n n e t e c k - n a d därav, att avstånden mellan varandra närbelägna cylindrar (la-ld) är lika stora.
3. 3. Motor enligt patentkravet l eller 2, k ä n n e - t e c k n a d därav, att nämnda cirkel (C3) och den andra ringen (14) har samma diameter.
4. 4. Motor enligt något av de föregående patentkraven, k ä n n e t e c k n a d därav, att det plan, som inne- håller nämnda räta linje (L) och den första och den andra ringens (ll resp 14) gemensamma centrumaxel, också innehåller delningspunkterna mellan två par av varandra närbelägna cylindersamlingsrör (l0a-lDd).
5. 5. Motor enligt något av de föregående patentkraven, k ä n n e t e c k n a d 'därav, att det plan, som inne- håller nämnda räta linje (L) och den första och den andra ringens (ll resp 14) gemensamma centrumaxel, också inne- håller delningspunkterna mellan två par av varandra när- belägna regeneratorsamlingsrör (l3a-l3d).