SE458292B - Vaermevaexlare foer stirlingmotor - Google Patents

Description

458 292 lO l5 20 25 30 35 2 Ett sådant känt schema kan modifieras i enlighet med fig 2. Den variabla, kalla volymen är inte belägen över utan under cylinderns B kolv vid samma sida som den kinematiska förbindningen. Motorns funktionsprincip är inte ändra , förutsatt att rörelsen för cylinderns B kolv är 900 före rörelsen för cylinderns A kolv i fas, såsom visas.

Schemat enligt fig 2 möjliggör en seriemontering av ett flertal sådana motorelement som visas i fig 2, såsom antydes med de på cylindrarna A och B visade utlopps- rören. Man erhåller då en motor med dubbelverkande kolvar, i vilken varje kolv arbetar vid sina båda ytor, varvid motorns effekt för en given cylindervolym väsentligen fördubblas. Motorns tätningsanordningar för tätning utåt är vidare belägna under cylindrarnas variabla, kalla volymer på sådant sätt, att utförandet blir enklare.

De olika motorelementen, vilka vanligtvis är 3-6 till antalet, bildar företrädesvis en sluten kedja i ett s k RINIA-arrangemang. Denna princip har utnyttjats för nästan alla existerande Stirling-motorer.

I praktiken är det för åstadkommande av god termo- dynamisk funktion nödvändigt att de varma ledningarna mellan A och E i fig 2, och de kalla ledningarna, mellan B och C, vilka bildar dödvolymer och förorsakar tryckfall, är maximalt förkortade. För att reducera deformation, spel och friktion är det likaledes nödvändigt att den kinematiska förbindningen mellan de olika kolvstängerna är maximalt förenklad. Då uppvärmningen åstadkommes med hjälp av förbränningsgaser är det slutligen nödvändigt att värmarens E rör är grupperade i ett enda uppvärmnings- huvud, som medger likformig fördelning av uppvärmningen.

Man erhåller en mycket kompakt motor, som uppfyller ovanstående villkor, genom att anordna fyra cylindrar i en kvadrat. Kolvstängerna kan vara parallella och påverka en snedställd platta ("swash-plate" eller" obble-plate") eller en dubbelvevaxel (H-motor). Kolvstängerna kan lika- ledes vara snedställda i form av ett V och påverka en enkelvevaxel (dubbel V-motor). Dessa olika utföranden är 10 15 20 25 30 35 458 292 3 de vanligast utnyttjade i de aktuella Stirling-motorerna.

I utbyte mot kompaktheten förlorar dessa Stirling- motorer den modulkaraktär som de skulle kunna ha erhållit genom en seriemontering av ett flertal motorelement enligt schemat i fig 2. De utgöres av ett enda motorblock, i vilket endast små komponenter, såsom regeneratorer, kylare eller skolvar, är framställda i flera identiskt likadana exemplar.

Enligt föreliggande uppfinning åstadkommas en värme- växlarmodul för en Stirling-motor, vilken modul på känt sätt innefattar en rörformig värmare, en regenerator och en rörformig kylare liksom åtminstone ett cylinderparti, varvid regeneratorn och kylaren bildar en väsentligen cylindrisk enhet, vars axel är parallell med cylinderdelens axel, och vilken modul är anordnad att medge uppbyggnad av en dubbelverkande Stirling-motor genom montering av ett flertal identiskt likadana moduler på ett motorblock, som är försett med i en rad anordnade kolvar, som är förbundna med en vev- axel, medan kylaren hos varje modul i motorn medelst en kall- ledning är förbunden med den nedre delen av den cylinderöver- del som motsvarar en närbelägen modul. Denna modul känneteck- nas därav, att värmaren är av indirekt-uppvärmningstyp och att värmarens rör är inneslutna i ett hus, som förbinder cylinderöverdelen och regeneratorns hus stelt med varandra.

Modulutförandet enligt uppfinningen ger många fördelar.

Eftersom de olika motorelementen, som bildar motorn, är strängt identiskt likadana, inklusive vad avser de varma och kalla ledningarna, som ansluter värmeväxlarna till mo- torblocket, är motorns funktion fullständigt regelbunden.

Konstruktions- och experimentarbetena reduceras tack vare förekomsten av identiskt likadana enheter i motorn. Kostna- derna för framställning av delar och montering av enheter vid totalexperiment, motorkonstruktion och reservdelsfram- tagning reduceras till följd av ökningen av antalet iden- tiskt likadana komponenter. Underhållet kräver ett mindre stort lager av delar. Olika motorer, som skiljer sig vad av- ser form eller cylinderantal, kan lätt byggas upp med hjälp av samma moduler.

Vid en modul enligt uppfinningen är kylarens rör företrä- desvis rätlinjiga och parallella med kylarens axel och är 458 292 10 15 20 25 30 35 4 kylarens yttervägg företrädesvis framställd av ett böjligt material på sådant sätt, att den har förmåga att under sam- tidig, S-formig deformation av dessa rör upptaga värmarens och motorblockets relativa värmeutvidgningseffekter, vilka beror på de stora temperaturdifferenser som föreligger mellan dessa element under drift.

För att kunna ge de kalla ledningarna mellan modulerna i en och samma motor väsentligen samma längd, oavsett om dessa ledningar förbinder två varandra närbelägna moduler eller tvâ moduler som âtskiljes av en annan modul, har enligt uppfinningen varje modul vid den nedre delen av sin kylare en förbindningsanordning för âstadkomande av en kall- ledningsförbindelse, vilken anordning kan anta tvâ olika konfigurationer, som ger olika förbindelselängder för att kompensera avstândsskillnaderna mellan moduler. En sådan för- bindningsanordning kan utgöras av en tjock platta, som bil- dar kylarens botten och har en i förhâllnade till kylarens axel excentriskt belägen öppning, som tillsammans med ett krökt förbindelsestycke, som är inrymt i en mittför öpp- ningen belägen hålighet, bildar en förbindelse mellan kylarens inre volym och en ledning, tans tjocklek vinkelrätt mot nämnda hålighet delar nämnda ledning i tvâ som är utformad i plat- axel, varvid nämnda delar med olika längd och varvid anslutningen till den närbelägna cylindern åstad- kommes antingen av den ena eller av den andra av dessa delar i beroende av det krökta förbindelsestyckets orientering i förhållande till nämnda platta. För en kall ledning, som för- utnyttjas således den ”långa” konfigurationen, och för en kall ledning, moduler, binder två närbelägna moduler, som förbinder tvâ som är åtskilda medelst en tredje modul, utnyttjas den ”korta” konfigurationen i förening med en hjälpledning.

För att underlätta tillträde till det krökta förbindelse- stycket för vändning av detta vid övergång från den ena kon- figurationen till den andra är ovannämnda excentriska öppning lämpligen utformad i ett borttagbart hjälpstycke, som är anordnat i ett i nämnda platta upptaget utrymme, som står i förbindelse med nämnda hålighet.

En modul enligt uppfinningen kan innefatta endast motsvarande cylinders överdel, vilken på tätande vis är 10 15 20 25 30 35 458 292 5 förbunden med denna cylinders foder, som utgör en del av motorblocket. Det kan likväl vara fördelaktigt att låta modulen innefatta även cylinderfodret, vilket då är fast förbundet med cylinderöverdelen och vis sin nedre del på tätande vis förbundet med motorblockets stomme.

Den senare konstruktionen gör det möjligt att anbringa 'den nödvändiga tätningspackningen för förbindningen med motorblocket i ett område, där temperatur- och tryckförhâllandena är mindre stränga, nämligen i cylin- derns kalla parti.

Värmeväxlarmodulen enligt uppfinningen gör det möjligt att åstadkomma: - kompakta motorenheter med korta gasledningar, som har samma längd och icke korsar varandra; - en kínematik för fyra eller sex cylindrar i rad med en enda vevaxel i enlighet med den vanligaste biltekniken; - underenheter, som har enkel form och är identiskt likadana; - stor tillgänglighet till olika motorkomponenter, vilket underlättar montering och underhåll.

Ett icke begränsande utföringsexempel på uppfinningen skall nu beskrivas närmare under hänvisning till bifogade ritningar.

Fig l visar schematiskt en tvåcylindrig motor av det inledningsvis angivna slaget.

Fig 2 visar schematiskt en modifierad motor av detta slag.

Pig 3 visar en värmeväxlarmodul enligt uppfinningen i vertikalsektion längs linjen III-III i fig 5.

Fig 4 fig 3 i en Fig 5 fyra i rad visar bottnen hos en kylare i modulen enligt annan konfiguration. är en planvy och visar en Stirling-motor med anordnade cylindrar, vilken bildats genom hopmonteríng av fyra moduler enligt uppfinningen pà ett motorblock.

I fig 3 visas de olika i fig 2 schematiskt visade elementen, nämligen en cylinderöverdel 12, en värmare 22, en regenerator 32 och en kylare 42, vilken enhet till- 458 292 10 15 20 25 30 35 6 samans med en anordning 52 för kalledningsanslutning bildar en modul enligt uppfinningen. värmaren 22, vilken är av indirekt-uppvärmningstyp, utgöres av_ett hus 5 och ett flertal i dettas inre anord- nade rör 6 (av vilka endast tvâ visas), vilka utgör en förbindelse mellan cylinderöverdelens 12 varma kammare 7 ~ och regeneratorn 32. Den ena änden av ett värmerör 62, som transporterar ett värmeöverföringsmedium (natrium, kalium eller ett eutektikum av dessa metaller) mellan en icke visad värmekälla och värmaren 22, är fastsvetsad på huset 5. Rören 6, vilka uppgår till flera tiotal, har varierande form för att uppvisa väsentligen samma längd under det att de är belägna mycket nära varandra. Vid en temperatur av storleksordningen 700°C leder de under uppvärmning en'arbetsgas (helium eller väte) vid ett tryck,som kan uppgâv till 250 bar.

Regeneratorn 32 består av ett hus 9, i vilket värma- rens 22 rör 6 mynnar och vilket innesluter ett cylindriskt, poröst block 10, som utgöres av en komprimerad bunt av tunna metalltrådsdukar eller av ett block av metallskum eller porös keramik.

Regeneratorns 32 hus 9 och cylinderöverdelen 12 är tillräckligt höga och smala för att temperaturen vid deras nedre del skall vara mycket lägre än den vid deras övre del av värmaren 22 åstadkomma temperaturen. Regene- ratorn 32 har ungefär dubbelt så stor tvärsektionsyta som cylinderöverdelen 12.

Värmarens 22 hus 5 är genom lödning stelt förbundet med cylinderöverdelen l2 och med regeneratorns 32 hus 9.

Natrium (t ex) göres gasformigt i en förångare, som är belägen vid värmerörets 62 icke visade andra ände, med hjälp av en uppvärmningsanordning, ugn, som kan utnyttja olika bränslen, med smälta salter, en solfångare etc. såsom en en värmeackumulator I värmaren 22 kondenseras natriumet på rören 6 under uppvärmning av gasen däri och återföres i flytande form av värmeröret 62 mot uppvärmningsanordníngen. Transporten av flytande natrium befrämjas dels av tyngdkraften, därav den på 10 15 20 25 30 35 458 292 7 ritningen visade lätta lutningen, dels av ett invändigt, poröst foder 8 i värmeröret, vilket foder består av tunna metalltrâdsdukar, dels av en pump, varvid gasens inträde och vätskans utträde då sker i två olika värxnerörsled- ningar.

Värmeröret 62, värmaren 22, regeneratorn 32 och 'cylinderöverdelens 12 övre parti är inneslutna i ett tjockt foder (icke visat), som säkerställer värmeisole- ring.

Kylaren 42 består av en grupp av flera hundratals mycket tunna rör 15, som är rätlinjiga och parallella med-en axel 16, på vilken regeneratorn 32 och kylaren 42 är monterade i linje med varandra och vilken själv är parallell med cylinderöverdelens l2 axel 48. Dessa rör är på tätande vis fastlödda på två perforerade plattor 17, 18, som är förbundna med varandra medelst ett cylind- riskt hölje 19. Den övre plattan 17 är fastskruvad vid den nedre delen av regeneratorns 32 hus 9 medelst en dubbelgängad ring 20 och en mellanliggande, ringformig packning 25. Den nedre plattan 18 har en ingângsöppning (icke visad i fig 3) och en utgångsöppning 26 för kyl- vatten. Detta kylvatten, vilket är infört i en nedre kammare 27, när det utrymme som omger rören l5 och be- gränsas av en cylindrisk ring 28 via ett hål 29, som är upptaget vid centrum av en tvärplåt 30, och strömmar upp längs rören 15 och därefter ned i det ringformiga utrymmet mellan ringen 28 och höljet 19 för att strömma ut genom utgångsledningen 26.

Under den nedre plattan 18 är medelst skruvar 35 fäst en tjock botten 36, som har cirkulär kontur och i vars övre yta centralt är utformad en cirkulär urtagning, som inrymmer ett stycke 37, i vilket parallellt med axeln 16 är utformat en excentrisk öppning 38, som mynnar i ett ingångsutrymme S9 i form av en tratt. Under denna urtagning har bottnen 36 en diametral ledning 39 och en hålighet, som delar ledningen 39 i två segment med olika längd och inrymmer ett íhâligt stycke 40, som bildar en förbindelsekrök mellan den excentriska öppningen 458 292 10 l5 20 25 30 35 8 38 och ledningen 39. I beroende av styckets 40 orientering i hâligheten kan längden av kylarens 42 utgångsledning inuti bottnen 36 anta tvâ värden beroende på om ledningens 39 långa segment (fig 3) eller korta segment (fig 4) utnyttjas. För att utgângsöppningen 45a eller 45b hos ledningens 39 använda segment skall befinna vid samma sida orienterar man bottnen 36 på lämpligt sätt under kylaren 42, såsom visas i fig 3 och 4, medan man till- sluter det icke använda segmentets öppning 45b eller 45a medelst en plugg 46. Utgângsöppningen är medelst en stel anslutningsenhet 60 (fläns, muttrar och packning) ansluten till den nedre delen av en motsvarande cylinder i en närbelägen modul antingen direkt eller via en mellanliggande'ledning 47 (jämför fig 5), varvid kylarens 42 botten är anbringad för "lång" konfiguration eller för "kort" konfiguration på sådant sätt, att kylledningar- nas totala längd är väsentligen konstant.

Då en modul är i drift, är värmarens 22 temperatur ca 7000 och förlänges dess hus 5 horisontellt l-2 mm mer än motorblocket. För att förhindra omâttliga värme- pâkänningar är modulen något böjlig i nivå med kylaren 43, vars rör kan deformeras S-formigt med en motsvarande böjning. För att kylaren skall ha önskad böjlighet allt- under det att den leder kylvatten är det cylindriska höljet 19 ett böjligt elasthölje eller en metallbälg.

I fig 3 visas tvâ utföringsformer av det till modulen anslutna cylinderpartiet pâ ömse sidor om cylínderaxeln 48. vid den vänstra utföringsformen utgör cylinderfodret 49 en del av motorblocket och är förbundet med cylinder- överdelen l2 med en mellanliggande tätningspackning 50.

Eftersom denna utsättes för stora påkänningar till följd av tryck och temperatur, som vid detta ställe kan uppgå :in zso bar respektive 2so°c, kan det vara fördelaktigt att utnyttja den högra utföringsformen, vid vilken cylinderöverdelen 12 och fodret 49a bildar ett enda stycke, som är förbundet med motorblocket 55 ed en mellanliggande tätningspackning 50a. Packningen har således förflyttats till den väl avkylda nedre delen av fodret, 10 15 20 25 30 35 458 292 9 vilket är gynnsamt för dess livslängd.

Vid uppbyggnad av en Stirling-motor förenas ett flertal moduler av beskrivet slag och monteras (medelst fästskruvar_58) på motorblocket S5 (fig 5), varvid antalet moduler i detta exempel är fyra. Dessa moduler l, 2, 3, 4 är anordnade sida vid sida växelvis i den ena och den -andra riktningen, varvid cylindrarna är inriktade längs den geometriska axeln 56 för en enda vevaxel, som påverkar en utgående axel 57. I fig 5 visas cylinderöverdelarna ll, 12, 14, värmarna 2l, 23, 24, regeneratorn 31, kylarna 41, 42, 43, förbindningsanordningen 54 samt de fyra värme- rören 61, 62, 63, 64. Den till modulen 2 hörande kylarens 42 botten, vilken är monterad i den "långa" konfigurationen enligt fig 3, är direkt förbunden med den nedre delen av den cylinder som motsvarar modulens l överdel ll. Den till modulen 3 hörande kylarens 43 botten är på samma sätt förbunden med den nedre delen av den cylinder som motsvarar modulens 4 överdel 14. En analog förbindning, som dock sker via en ledning 47, föreligger mellan kylar- nas 41 och 44 botten (i den "korta" konfigurationen enligt fig 4) och den nedre delen av den cylinder som motsvarar överdelen 13 resp 12. I fig 5 framgår, att samtliga kylledningar har nästan samma längd och därmed samma volym. Modulerna arbetar således i ordningsföljden l-2-4-3. Rörelserna för kolvarna i cylindrarna är fas- förskjutna 90° i samma ordningsföljd i överensstämmelse med schemat i fig 2 tack vare att motorns vevaxel givits en lämplig form.

Uppfinningen kan likaväl tillämpas vid en Stirling- motor med sex cylindrar i rad. Värmeväxlarmodulerna arbetar då i ordningsföljden l-2-4-6-5-3. Rörelserna för kolvarna i cylindrarna är fasförskjutna 1200 i samma ordningsföljd tack vare en lämplig form för motorns vev- axel. Detta gör att kallvolymvariationerna i motorelemen- :en enligt schemat i fig 2 är fasförskjucna 6o° i för- hållande till varmvolymvariationerna (i stället för 900 som fallet är vid motorn med fyra cylindrar). De kalla anslutningarna mellan modulernas 2 och 5 kylare och den 458 292 10 10 cylinder som motsvarar modulen l resp 6 ästadkommes genom direkt skruvförbindning av kylarnas bottnar (i konfigura- tionen enligt fig 3), medan de kalla anslutningarna mellan modulernas 4, 1, 6 och 3 kylare och den cylinder som motsvarar modulen 2, 3, 4 resp S kräver införande av mellanliggande ledningar 47, varvid kylarnas bottnar -i dessa moduler har konfigurationen enligt fig 4.

Värmerören 61, 62, 63, 64, vilka är fastsvetsade på de olika värmeväxlarmodulerna 1, 2, 3, 4, är vanligt- vis inte helt identiskt likadana, såsom framgår av fig 5.

Deras form anpassas till de förbindningar som skall upprättas med motorns värmekälla eller värmekällor.

Claims (7)

10 15 20 25 30 458 292 ll PATENTKRAV

1. Värmeväxlarmodul för en Stirling-motor, vilken modul innefattar en rörformig värmare, en regenerator och en rörformig kylare liksom åtminstone ett cylinder- parti, varvid regeneratorn och kylaren bildar en väsent- ligen cylindrisk enhet, vars axel är parallell med cylin- deröverdelens axel, och vilken modul är anordnad att medge uppbyggnad av en dubbelverkande Stirling-motor genom montering av ett flertal identiskt likadana moduler på ett motorblock, som är försett med i en rad anordnade kolvar, som är förbundna med en vevaxel, medan kylaren hos varje modul i motorn medelst en kalledning är för- bunden med den nedre delen av den cylinder som motsvarar en närbelägen modul, k ä n n e t e c k n a d därav, värmaren (22) är av indirekt-uppvärmningstyp och att värma- rens rör (6) är inneslutna i ett hus (5), som förbinder cylinderöverdelen (12) och regeneratorns (32) hus (9) stelt med varandra.

2. Modul enligt patentkravet l, k ä n n e t e c k - n a d därav, att kylarens (42) rör (15) är rätlinjiga och parallella med kylarens axel (16) och att kylarens yttervägg (19) är framställd av ett böjligt material och har förmåga att under samtidig, S-formig deformation (22) och motorblockets (55) relativa värmeutvidgningseffekter. av dessa rör (15) upptaga värmarens

3. Modul enligt patentkravet 1 eller 2, k ä n n e - t e c k n a d därav, att den vid kylarens (42) nedre del har en förbindningsanordning (52) för åstadkommande av en kalledningsförbindelse, vilken anordning kan anta tvâ olika konfigurationer, som ger olika förbindelselängder.

4. Modul enligt patentkravet 3, n a d därav, att förbindningsanordningen utgöres av en k ä n n e t e c k - tjock platta (36), som bildar kylarens botten och har en i förhållande till kylarens axel (l6) excentriskt belägen öppning (38), som tillsammans med ett krökt förbindelse- stycke (40), som är inrymt i en mittför öppningen belägen 458 292 10 15 20 12 hålighet, bildar en förbindelse mellan kylarens inre volym och en ledning (39), som är utformad i plattans tjocklek vinkelrätt mot nämnda axel, varvid nämnda hålighet delar nämnda ledning i tvâ delar med olika längd och varvid anslutningen till den närbelägna cylindern åstadkommes antingen av den ena eller av den andra av dessa delar i 'beroende av det krökta förbindelsestyckets orientering i förhållande till nämnda platta.

5. Modul enligt patentkravet 4, k ä n n e t e c k - n a d därav, att den excentriska öppningen (38) är ut- formad i ett borttagbart stycke (37), som är anordnat i ett i nämnda platta (36) upptaget utrymme, som står i förbindelse med nämnda hålighet.

6. Modul enligt något av patentkraven l-5, k ä n n e - t e c k n a d därav, att cylinderöverdelen (12) på tätande vis är förbunden med motsvarande cylinderforder (49), vilket utgör en del av motorblocket (55).

7. Modul enligt något av patentkraven l-5, k ä n n e - t e c k n a d därav, att cylinderöverdelen (12) är fast förbunden med motsvarande cylinderfoder (49a) och att detta vid sin nedre del på tätande vis är förbundet med motorblockets (55) stomme.