SE459441B - Roerelsemekanism foer hermetiskt sluten eller med roterande axeltaetning foersedd maskin - Google Patents

Description

459 441 Rörelsemekanismerna för de ovan angivna maskinerna har i sig integrerade en rad funktioner, som måste säkerställas för att maskinerna ska arbeta på ett tillfredställande sätt: I o Styra kolvar med en för det termodynamiska förloppet lämplig och helst optimal fasvinkel o Styra kolvarna på ett sätt, som ej ger upphov till sidokrafter på kolvarna från t. ex. vevstakarna i en vevmekanism, emedan då smörjning med cirkulerande eller stänkande smörjolja nödvändiggöres o Överföra rörelseenergi frán en del av maskinen, som alstrar energi, till en annan del, som absoberar ener- gi o Helt eller delvis utbalansera uppkomna masströghets- krafter för undvikande av vibrationer De angivna maskinerna brukar indelas i kinematiska maskiner och frikolvmaskiner samt dessutom i en mellanform, som skulle kunna kallas semi-frikolvmaskiner.

Samtliga dessa maskiner kan i olika sammanhang fungera som värmemotor, kylmaskin och värme- pump beroende på det termodynamiska systeme funktionssätt. Behovet av rörelsemekanismer i kinematiska och semi-frikolvmaskiner, maskiner i allmänhet fungerar utan rörel ts uppbyggnad och finns framför allt medan renodlade frikolv- semekanism.

Kinematiska maskiner har hittills varit beroende av cirku- lerande eller stänkande smörjoljesystem med därmed nödvändig- gjorda komlicerade och funktionskänsli ga linjära tätningsanord- ningar.

Risken för oljeläckage från rörelsemekanismdelen av maskinen till kolv- och värmeväxlaredelen har hittills utgjort ett besvärande hinder för de kinematiska maskiner nas framgångs- rika, kommersíella användning. _ 459 441 Semi-frikolvmaskiner överför de arbetande krafterna från fram- och återgående s.k. arbetskolvar till komponenter i sys- temet, som likaledes genom fram- och àtergàende rörelse absor- berar de genererade krafterna respektive överför arbetande kraf- ter från en fram- och àtergàende rörelse i en kraftkälla till fram- och âtergående kolvar, som absorberar energi. Dessa funk- tioner sker medelst linjära rörelser, som ej kräver någon rörel- semekanism. Däremot krävs en rörelsemekanísm för styrning av icke arbetande eller arbetsabsorberande kolvar, s.k. deplacements- kolvar. På grund av att de behövliga krafterna, som ska överfö- ras i en dylik rörelsemekanism, är relativt sett mycket små kan lager med begränsad, avtätad fettsmörjning användas, även om rörelsemekanismen även utnyttjas för att helt eller delvis balansera masströghetskrafter i systemet för att undvika vibra- tioner. För detta ändamål har relativt komplicerade och dyrbara rörelsemekanismer av typ s.k. rombiskt drev ansetts nödvändiga för att tillfredställande uppfylla dessa funktioner.

En framgångsrik, kommersiell tillämpning har som nämnts ej skett av kinematiska maskiner eller semi-frikolvmaskíner på grund av frånvaron av en enkel och billig rörelsemekanism, som kan fungera under lång tid utan behov av cirkulerande eller stän- kande smörjoljesystem och därmed nödvändiggjorda komplicerade linjära tätningsanordningar. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att ge tillgång till en rörelsemekanism, som ej kräver cirkulerande eller stänkande oljesystem, men ändå uppfyller alla de krav, som ställs pà en enkel och billig rörelsemekanism användbar för såväl kinema- tiska maskiner som för semi-frikolvmaskiner.

Ett annat ändamål är att tillåta en fullständig eller en i det närmaste fullständig utbalansering av i dessa maskiner förekommande masströghetskrafter. 459 441 Ytterligare ett annat ändamål är att med ge en överföring av såväl fram- och âtergående krafter för linjära komponenter (drivande och drivna) som roterande krafter för roterande kom- ponenter (drivande och drivna), kombination av fram- med såväl fram- samt i förekommande fall, en och återgâende krafter för komponenter och àtergående som roterande funktion.

Slutligen är ändamålet med uppfinningen att tjäna som rörelsemekanism mellan drivande och drivna komponenter i de angivna maskinsystemen av vitt skilda slag: värmemotorery kylmaskiner och värmepumpar med Stirling-, Ericsson- eller andra termodynamiska cykler, roterande och linjära elektriska generatorer och motorer samt roterande och linjära hydrau- liska och pneumatiska pumpar och motorer.

De anförda ändamàlen uppfylles genom att rörelsemekanismen består av två motroterande vevsystem centrerade utefter en enda centrumlinje, varvid de med vevstakar drivna kolvarnas sidokrafter motverkar varandra oöh på så sätt elimineras.

Vidare kan lämplig och optimal fasvinkel väljas för rörelser- na av de i de anförda maskinerna förekommande arbets- och de- placementskolvar eller i förekommande fall mellan olika kol- var i flercylindríga maskiner. Det visar sig att;den“i;upp- finningen framkomna geometrín av rörelsemekanismen tillåter användning av permanent fettsmorda och avtätade rullníngs- lager av nål- eller kultyp, så att cirkulerande eller stänkande smörjolja ej behöver användas. Dessutom tillåter rörelsemeka- nismer av det i uppfinningen anförda slaget att av kolvarnas rörelse alstrade masströghetskrafter helt eller delvis kan utbalanseras.

I rörelsemekanismer utförda i enlighet med föreliggande uppfinning kan kolvarnas fram- och àtergående rörelse utnyttjas på ett eller flera av nedanstående sätt: i 459 441 o Som linjär fram- och átergâende rörelse o Som roterande rörelse på två motroterande axlar med samma varvtal o Som roterande rörelse på en enda roterande axel Exempel på de beskrivna användningarna kommer att visas, varvid har valts värmemotorer av Stírlingtyp, som driver lin- jär alternativt roterande generator(er). I figurerna 1a till 1c presenteras energisystem, där de ingående komponenterna i systemet (1) till (4) representerar olika drivande och drivna enheter. I ett första fall kommer komponent (1) vara en värme- motor av Stirlingtyp, den drivande, energigenererande enheten, medan (2), (3) och (4) är elektriska generatorer, de drivna, energiabsorberande enheterna. I figuren 1a är därvid (2) en linjär elektrisk generator och överföringen av energin sker genom linjära, fram- och àtergàende rörelser mellan den_valda É värmemotorns arbetskolv och den linjära, elektriska generatorn. É I figur lb är (3) motroterande, elektriska generatorer och över- É föríngen av energi sker här medelst tvâ roterande axlar, den å ena axeln roterande åt motsatt håll mot den andra. I figur 1c slutligen är (4) en roterande, elektrisk generator, som medelst en enda axel transporterar all den genereradéeeeergiür. Energi- systemen i figurerna 1a till 1c är í de anförda fallen samtliga hermetiskt slutna och värmemotorns arbetsgas fyller hela systemet, É varför tätningar föratt avgränsa arbetsgasen inom systemet ej är nödvändiga. I I ett andra utföringsexempel kan samma figurer beskriva ener- gisystem, där (1) är en driven, energiabsorberande enhet, såsom t.ex. kylmakin eller värmepump och där (2), (3) och (4) är elek- triska motorerer, (2) en linjär, elektrisk motor, (3) två elek- triska motroterande motorer och (4) en enda elektrisk, roterande motor. Även dessa energisystem är hermetiskt slutna och fyllda med arbetsgasen för den drivna kylmaskinen eller värmepumpen. » 459 441 Ett tredje utföringsexempel ska anföras, där figurerna 1a till 1c representerar energisystem, där (1) åter är en drivande, energiproducerande enhet, t.ex. en värmemotor av Stírlingtyp, medan enheterna (2), (3) och (4) är enheter, t.ex. hydraulpumpar. hydraulpump, drivna, energiabsorberande Därvid är (2) i figur la en linjär som för sin funktion kräver ett hermetiskt tätt metallmembran sonxavtätning mellan värmemotorns gasformiga arbets- medium, t.ex. helium, och hydraulpumpens vätskeformiga arbets- Enheterna (3) i figur 1b är motroterande hydraulmotorer, som för sin funktion kräver en roterande axel- tätning mellan värmemotorns arbetsgas och h olja. medium, hydraulolja. ydraulmotorns hydraul- Enheten (4) i figur 1c en roterande hydraulmotor lika- ledes försedd med roterande axeltätning. I detta tredje utförings- exempel är energisystemet fortfarande hermetiskt slutet och trycksatt, men på grund av de olika arbetsmedierna i den drivan- de och de drivna enheterna fordras avgränsande tätningar, vilket inte behövdes i de två första utföríngsexemplen.

Det första anförda utföringsexemplets alternativ 1b ska nedan beskrivas i detalj. I figur 2 visas ett utförande motsvarande figur lb, där den drivande enheten är en värmemotor arbetande enligt den termodynamiska Stirlingcykeln och där de drivna enhe- terna är tvâ motroterande, elektriska generatorer. Med streckade linjer visas i högra delen av figuren de i systemet ingående komponenterna, där (5) är energikällan för motorn, en brännkam- mare för gasformigt eller flytande bränsle, (6) är luftförvär- maren för brännkammaren samt en vattenvärmare för att utnyttja läckvärme till att värma utgående kylvatten från motorn.

Vidare är (7) motorns regenerator, (B) är kylaren, medan (9) är depla- cementskolvenoch (10)arbetskolven.

Rörelsemekanismen (11), som närmare kommer beskrivas nedan, har till uppgift att, dels styra deplacementskolven (9) med en viss fasvínkel i förhållande till arbetskolven (10) och dels överföra den linjära rörelsen hos arbetskolven, utan att skapa sidokrafter på kolven, till tvâ motroterande rörelser, som driver de elektriska generatorerna (3)- Samtidigt utbalanserar rörelsemekanismen helt eller delvis de av kolvarna förorsakade masströghetskrafterna. Hela energi- 459 441 systemet är hermetiskt slutet och trycksatt med värmemotorns arbetsgas, t.ex. helium. Genom att hela systemet innehåller en- dast ett enda arbetsmedium finns inget behov av avgränsande tätningsanordningar mellan de i systemet ingående enheterna.

Energi tillföres systemet medelst bränsle, som förbrännes med luft. Energin omvandlas av värmemotorn till rörelseenergi, som i sin tur omvandlas av de elektriska generatorerna till elektrisk energi, som slutligen bortföres medelst elektriska kablar, som har hermetiskt täta genomföringar genom energi- systemets trycksatta hölje. Värme, som ej omvandlas till elek- trisk energi tillvaratages såsom varmvatten, som kan utnyttjas för uppvärmningsändamàl, om så anses befogat. Rörelsemekanismen (11) har som sin huvudsakliga uppgift att överföra av värme- motorn genererad rörelseenergi till de elektriska generatorerna på ett sätt, som ej kräver för sin säkra och långvariga funktion cirkulerande eller stänkande smörjolja.

Den viktiga rörelsemekanismen ska nu i detalj beskrivas i figurerna 3 och 4, där figur 3 visar ett snitt genom mekanismen i ett plan, som innehåller både värmemotorns centrumlinje (13) och de elektriska generatorernas gemensamma centrumlinje (14), medan figur 4 visar ett snitt genom mekanismen, som är vinkel- rätt mot värmemotorns centrumlinje, men innehåller de elektriska generatorernas centumlinje (14). Rörelsemekanismen utgöres av tvâ motroterande hjul (15) och (16), som är synkroniserade i 1 förhållande till varandra genom hjulen (17) och (18) synliga i figur 4. De motroterande hjulen (15) och (16) är kopplade medelst kuggar till synkroniseringshjulen (17) och (18). För rörelsemekanismens funktion är endast ett av de tvà synkroni- seringshjulen nödvändiga. Synkroniseringshjulen, som inte över- för någon energi och därför ej är utsatta för några nämnvärda kuggkrafter utföres i plastmaterial, eventuellt med självsmör- jande egenskaper. 459 441 Värmemotorns arbetskolv, detalj (10) i figur 2, är försedd med två kolvstänger (19) i figur 4, vilka är fästa vid kolven som en förlängning av kolvskörtet och som penetrerar rörelse- mekanísmen och slutligen fästa vid vid oket (20) i figur 3.

Okets centrum innehåller en axeltapp, vars tvà ändar är för- sedda med rullningslager (22) av náltyp med avgränsad , perma- nent fettsmörjning.

På dessa lager är tvâ vevstakar (23) och (24) lagrade med sina lilländar. Vevstaken (23) är i sin tur med sin storände lagrad i hjulet (15), medan vevstaken (24) är med sin storänd som roterar âtfmotsatt håll. som lilländarna försedda med som roterar åt ett håll, e lagrad i hjulet-(16), Storändarna är på liknande sätt rullningslager (25) och (26) av , permanent fettsmörjning. Genom att hjulen (15) och (16) roterar àt var sitt håll kommer vevstakarnas stor- ändar ständigt röra sig i ett plan, nàltyp med avgränsad som visas i figur 3, d.v.s. ntiskt samma sätt, medan deras storändar i ett plan vinkelrätt mot det plan, i figur 3, röra sig i samma riktning och på ide som visas kommer att röra sig åt motsatt håll. På detta sätt elimineras sidokrafterna på oket (20) och på arbetskolven i värmemotorn.

Ett litet vridmoment uppkommer i oket (20), som emellertid beräknas kunna tas upp av arbetskolvens kolvstänger, eller, om så skulle visa sig vara nödvändigt, elimineras genom en speciell infästning av vevstakarnas lilländar, som visas i figur 5.

Ett förtydligande av arbetskolvens kolvstänger visas i figur 6.

Arbetskolvarnas vevstakar är med sina storändar lagrade me- delst rullníngslager i hjulen (15) och (16) försänkta axeltappar (27) och (28).

Dessa axeltappar är dimensionerade så att de inne- håller tapparna (29) och (30), som medelst rullningslager av nål- typ med avgränsad, permanent fettsmörjning lagrar storändarna (31) och (32) till vevstakarna (33) och (34), värmemotorns deplacementskolv (9) i figur 2. D via rullningslagren (35) och (36) av nåltyp me manent fettsmörjning, som i sin tur styr enna styrning sker d avgränsad, per- vilka lager sitter på tappen (37) i de- placementskolvens kolvstång (39). 459 441 ”I Tapparna för storändarna till deplacementkolvens vevstakar (29) och (30) är så placerade i de nedsänkta tapparna (27) och (28) för storändarna för arbetskolvens vevstakar att en lämplig eller optimal fasvinkel mellan kolvarnas rörelse uppstår. Figur 7 visar hur detta sker.

På samma sätt som för arbetskolvarnas vevstakar kommer de två vevstakarnas storändar till deplacementskolven att i ett plan vinkèírättmotplanet i figur 3 röra sig åt motsatt håll, så att sidokrafter på deplacementkolvens kolvstâng (38) undvikes. Ett litet vridmoment kan på samma sätt som för arbetskolvens_ok elimineras med en typ av lagring, som visas i figur 5.

Normalt beräknas inte de små uppkomna vrídmomenten i vevsta- karnas lilländar behöva motverkas, men om så skulle vara önsk- värt eller nödvändigt för speciella fall, bör infästningen ske på sätt, som visas i figur 5, där arbetskolvens vevstakar äter- finnes som (23) och (24). Lilländen på ena vevstaken har därvid en tapp (39) lagrad medelst rullningslager av tidigare beskriven typ inuti och koncentriskt med den andra vevstakens tapp (41), som i sin tur är lagrad medelst rullningslager i arbetskolvens ok (20). På detta sätt elimineras vridningstendenserna i arbets- kolvens ok. På samma sätt kan vridningstendenserna i deplace- mentskolvens kolvstàng elimineras.

Sammanbindningen av arbetskolven (10) med sin genomföring för deplacementskolvens kolvstàng (38) med sitt ok (20) visas för- tydligat i figur 6, där arbetskolvens kolvstänger (19) utgör en direkt förlängning av arbetskolvens skört. Kolvstängerna är fästa vid oket (20),.som har en axeltapp (21) tidigare beskriven.

Figur 7 visar hur fasvinkeln§í)mellan arbetskolvens vevrörel- se och deplacementskolvens vevrörelse uppstår genom att centrum (42) för vevtappen till arbetskolvens vevstakes storända rör sig omkringcentrum för rörelsemekanismen (43) på ett sätt, som är 39 grader förskjutet i förhållande till centrum (44) för vev- tappen på deplacementkolvens vevstakes storände. På detta sätt '_ 459 441 /C kan lämplig och optimal fasvinkel för värmemotorn, eller i före- kommande fall kylmaskinen eller värmepumpen väljas.

De i figurerna la till 1c visade tre typerna av drivning kan nu också visas på figurerna 3 och 4 samt på figur 6. Den linjära rörelsen i figur 1a sker från arbetskolven (10), dess kolv- stänger (19) och dess ok (20) såsom visas i figur 6 direkt till en linjär komponent i maskinen (2), antingen denna nu är en linjär elektrisk generator eller motor eller en linjär hydraulmaskin.

De två motroterande maskinerna (3) i fi gur 1b drivs av axel- ändarna (45) och (46) i figur 3.

Den roterande maskinen i figur 1c slutligen drivs av ett av de två synkroniseringshjulen (17) eller (18) i figur 4. Därvid bör synkroniseringshjulet och d e motroterande hjulen (15) och (16) vara utförda i material , som är permanent smorda med fast smörjmedel eller impregnerade med bundet flytande smörjmedel.

På så sätt undvikes cirkulerande eller stänkande smörjolja, som skulle kontaminera värmeväxlarna i en värmemotcr, eller värmepump fungerande enligt Stirlings, liknande termodynamiska cykler. kylmaskin Erikssons eller

Claims (7)

10 15 20 25 30 459 441 ll PATENTKRAV

1. Rörelsemekanism för hermetiskt sluten eller med roterande axeltätning försedd maskin (1), såsom värme- motor, kylmaskin och värmepump, vilken maskin har två eller flera medelst vevstakar (33, 34, 23, 24) till rörelsemekanismen (11) anslutna, fram- och átergàende kolvar (9, 10), k ä n n e t e c k n a d av att den har två motroterande vevsystem, vilka är centrerade utefter en enda centrumlínje, varigenom kolvarnas (9, 10) sido- krafter motverkar varandra och på så sätt elimineras.

2. Rörelsemekanism enligt krav 1, vid vilken maskinen (1) har åtminstone en deplacementskolv (9) och åtminstone en arbetskolv (10), k ä n n e t e c k - av att kolvarna (9, 10) är via separata vevsta- 34 resp 23, 24) anslutna till rörelsemekanismen n a d kar (33, (ll), vilken har till uppgift att styra deplacements- kolven (9) med en viss fasvinkel (Q) i förhållande till arbetskolven (10).

3. Rörelsemekanism enligt krav 2, k ä n n e - av att den även har till uppgift att (10) vilka driver eller är t e c k n a d omvandla den linjära rörelsen hos arbetskolven till två motroterande rörelser, drivna av åtminstone en energiabsorberande resp energi- genererande enhet (2, 3, 4).

4. A. Rörelsemekanism enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att i de båda motroterande vevsystemen ingår två motroterande hjul (15, 16), som är synkroniserade i förhållande till varandra medelst åtminstone ett synkroniseringshjul (17, 18),

5. Rörelsemekanism enligt något av krav 2-4, k ä n n e t e c k n a d (10) är försedd med två kolvstänger (19), vilka vid sin ena ände är fästa vid kolven (10), penetrerar rörelsemekanismen av att arbetskolven (ll) och vid sin andra ände är fästa vid ett ok (20), 459 441 10 15 20 12 som i sitt centrum har en axeltapp (21), vid vars ändar vevstakarna (23, 24) för arbetskolven (10) är lagrade med sin ena ände, varvid den ena vevstaken (23) är med sin andra ände lagrad i det ena hjulet (15) och den andra vevstaken (24) är med sin andra ände lagrad i det andra hjulet (16).

6. Rörelsemekanism enligt krav 5, t e c k n a d k ä n n e - av att arbetskolvens (10) vevstakar (23, 24) är lagrade på i hjulen (15, 16) försänkta axeltappar (27, 28), vilka innehåller tappar (29, 30), på vilka den ena änden (31, 32) av vevstakarna (33, 34) för deplacementskolven (9) är lagrad, varvid vevstakarnas (33, 34) andra ände är lagrad på en tapp (37) i deplacementskolvens (9) kolvstàng (38).

7. Rörelsemekanism enligt krav 5 óch 6, k ä n n e - t e c k n a d av att tapparna (29, 30) för den ena änden (31, 32) av vevstakarna (33, 34) för deplacementskolven (9) är så placerade i de försänkta axeltapparna (27, 28) för den andra änden av vevstakarna (23, 24) för arbets- kolven (10), att en lämplig eller optimal fasvinkel (Q) mellan kolvarnas (9, 10) rörelser uppstår.