SE467837B - Energiomvandlare, som arbetar enligt stirling- ericsson eller liknande termodynamiska cykler - Google Patents

Description

467 857 10 15 20 25 30 35 2 minskas alls eller åtminstone inte i proportion till effektminskningen, varför motorns verkningsgrad väsentligt reduceras. Detta arbetstillstånd med minskad verkningsgrad varar den tid gaspumpen behöver för att pumpa den erfor- derliga mängden arbetsgas tillbaka till tryckbehållaren.

Andra sätt att snabbt sänka effekten på energiom- vandlare förekommer, t ex dödvolymsreglering, dvs in- och urkoppling av biutrymmen vid konstant medeltryck, men de är antingen för långsamma, för komp1icerade.eller behäf- tade med andra begränsningar, inte minst utrymmesmässigt, som gör dem opraktiska att använda. Ändamålet med uppfinningen är att åstadkomma en energiomvandlare, som möjliggör snabb reglering av ut- effekten utan att större verkningsgradsförluster uppstår.

Energiomvandlaren skall dessutom vara enkel till sin kon-_ struktion och skall, om så erfordras, kunna göras mycket kompakt och lätt.

Detta ändamål uppnås enligt uppfinningen med hjälp av minst en i energiomvandlaren inrymd och med arbetsgas fylld lågtrycksbehållare, i vilken gastrycket väsentligt understiger medeltrycket och vilken har förbindelse dels med gaspumpens inloppssida, dels via ventilen/-rna för styrning av medeltrycksminskningen med energiomvandlarens cylinder/-rar, varvid lågtrycksbehållarens/-nas totala volym är betydligt större än energiomvandlarens slag- volym.

Genom att enligt uppfinningen koppla in en relativt stor lågtrycksbehållare mellan ventilen för minskning av medeltrycket och gaspumpens inlopp, kan på mycket kort tid stora gasmängder tappas ur energiomvandlarens cylinder/- rar, oberoende av gaspumpens kapacitet. Enda kravet på gaspumpen är att den skall kunna säkerställa att till- räckligt stora tryckskillnader föreligger mellan hög- trycksbehållaren och energiomvandlarens cylinder/-rar respektive mellan cylindern/-rarna och lågtrycksbehålla- ren/-na, vilket i praktiken innebär att man jämfört med teknikens ståndpunkt ofta kan välja en något mindre pump, 10 15 20 25 30 35- 467 837 3 som t ex kan inrymmas i energiomvandlarens vevhus och då kan drivas direkt av energiomvandlarens vevmekanism.

Det mest fördelaktiga arrangemanget åstadkommes om man utnyttjar energiomvandlarens vevhus såsom lågtrycks- behållare, eftersom vevhusets volym i allmänhet har en för ändamålet passande storlek och man alltså inte behöver öka energiomvandlarens dimensioner. Det relativt låga trycket i lågtrycksbehållaren (vevhuset) innebär dessutom att man kan välja en i vikthänseende gynnsam, ringa godstjocklek och att vevmekanismen tack vare den relativt tunna atmosfärenn inte påverkas i nämnvärd grad.

Om man önskar minska energiomvandlarens dimensioner ytterligare, anordnas lämpligen även högtrycksbehållaren inuti energiomvandlaren. Vid energiomvandlare med kupol- formig deplacementskolv kan detta åstadkommas genom att deplacementskolven används som högtrycksbehållare.

Flera behållare eller volymer med dels högt, dels lågt tryck kan arrangeras i modulerade trycksteg med gas- pumpar, som reglerar det inbördes trycket mellan volymer- na. Därvid uppnås fördelen att de ingående volymerna kan trycksättas optimalt med hänsyn till deras hàllfasthet och väggtjocklek, t ex om man i en helkapslad energiomvandlare använder en magnetisk axelkoppling som kräver en tunn mellanvägg mellan den drivande och den drivna enheten, eller med hänsyn till risken för läckage av arbetsgas till omgivningen, t ex om man använder en genomgående rote- rande axel i vevhuset med axeltätning mot omgivningen.

Uppfinningen kan med fördel användas även för ener- giomvandlare som i sig integrerar dels en Stirlingmotor som drivkälla, dels en värmepump eller kylmaskin av Stirlingtyp som driven enhet. Effekterna i de drivande och drivna enheterna kan moduleras genom att man sörjer för att medelgastrycket i den drivande enheten skiljer sig på lämpligt sätt från medelgastrycket i den drivna enheten, så att önskade effekter uppnås. Samtidigt kan trycket i vevhuset hållas på relativt låg nivå. I vevhuset pumpar en mekaniskt driven gaspump arbetsgas till en högtrycksbe- 467 837 10 15 20 25 30 35 4 behållare, från vilken arbetsgasen snabbt kan fördelas antingen till den drivande eller drivna enheten eller till båda. Alternativt kan arbetstrycket i den drivande eller den drivna enheten snabbt minskas genom att arbetsgas får återgå till vevhuset. På detta sätt kan de båda integre- rade Stirlingenheterna snabbt styras och regleras utan att verkningsgraden på enheterna försämras.

I en integrerad maskin av ovannämnda typ med en drivande Stirlingmotor och en driven Stirlingvärmepump eller kylmaskin kan även en eller flera elektriska gene- ratorer vara kopplade till vevmekanismen, varvid modu- leringen av medeltrycken i de drivande och drivna enheterna kan bestämmas så att en önskad del av den genererade mekaniska energin används för att generera elström medan resten utnyttjas av värmepumpen eller kylmaskinen. Man kan sålunda på önskat sätt utan verk- ningsförluster styra effektnivåerna i de olika delarna av den integrerade maskinen.

Såsom nämnts är.det en fördel med uppfinningen att man hos helkapslade energiomvandlare, som arbetar enligt Stirling-, Ericsson- eller liknande termodynamiska cykler, i syfte att minska energiomvandlarens vikt kan reducera godstjockleken i väggarna till de utrymmen där lågt gastryck föreligger. När energiomvandlaren stängs av, pumpas då först arbetsgas från lågtrycksbehållaren till högtrycksbehållaren så att det utjämnade gastrycket i resten av energiomvandlaren inte överstiger det nominella arbetstrycket i t ex vevhuset och andra lågtrycksutrymmen.

Vid start av energiomvandlaren tillförs arbetsgas till cylindern, så att ett lämpligt starttryck uppnås.

Den på området kända tekniken och föredragna ut- föringsformer av uppfinningen beskrivs närmare i det följande med hänvisning till bifogade ritningar.

Fig 1 visar schematiskt en känd energiomvandlare med medeltrycksreglering. 10 15 20 25 30 35 467 837 5 Fig 2 visar schematiskt en encylindrig Stirlingmotor med medeltrycksreglering enligt uppfinningen.

Fig 3 visar schematiskt en fyrcylindrig dubbelver- kande Stirlingmotor med medeltrycksreglering enligt upp- finningen.

Fig 4 visar schematiskt en dubbelverkande fyrcylind- rig Stirlingmotor, som är kopplad både till en dubbel- verkande fyrcylindrig värmepump, som också arbetar enligt Stirlingcykeln, och till integrerade elgeneratorer, varvid både Stirlingsmotorn och värmepumpen medeltrycksregleras enligt uppfinningen.

Den gängse kända effektregleringen med s k kortslut-_ ningsventil visas i fig 1. I cylindern 101 pá en encylind- rig Stirlingmotor flyttar deplacementskolven 102 arbets- gasen från den varma övre delen av cylindern förbi vär- maren 103, i vilken värme tillföres motorn från en extern energikälla, t ex en brännkammare. I regeneratorn 104 ackumuleras den tillförda värmen, så att den kan utnyttjas i rätt ögonblick i den termodynamiska cykeln. Kylaren 105 bortför värme, som inte omvandlats till tryckenergi och mekanisk energi, med hjälp av arbetskolven 106, som på sin övre del påverkas av det varierande gastrycket och pà sin undre del pâverkas av trycket i bufferten 107, vars tryck bestäms av en backventil 108. I det visade fallet härskar i bufferten ett tryck som ligger nära cykelns maximal- tryck.

För att vid ett givet motorvarvtal öka motorns effekt tillföres arbetsgas fràn högtrycksbehàllaren 109 genom öppning av en ventil 110, så att motorns medeltryck snabbt stiger och därmed även motoreffekten snabbt ökar.

För att minska effekten vid ett givet motorvarvtal öppnas en ventil lll, och en gaspump 112 pumpar i en takt som bestäms av dess kapacitet arbetsgas tillbaka till -högtrycksbehàllaren 109. Detta förlopp är emellertid långsamt, ca 10-30 sek i bästa fall, och otillfredsstäl- lande i många användningar. Därför finns en s k kort- slutningsventil 113, som snabbt utjämnar tryckskillnaderna 467 ß37 . 10 15 20 25 30 35 6 över arbetskolven och därmed snabbt sänker motorns effekt.

Under den tid som kortslutningsventilen 113 är öppen måste en bränsle- och energimängd tillföras motorn motsvarande den högre utgångseffekten. Först när gaspumpen pumpat tillbaka en tillräcklig mängd arbetsgas till högtrycksbe- hàllaren 109 kan den tillförda bränsle- och energimängden minskas. Vid användning av motorn med många snabba effekt- minskningar och därmed ofta förekommande användning av kortslutningsventilen 113, kommer motorns bränsleförbruk- ning bli ogynnsamt hög.

I fig 2 visas en encylindrig Stirlingmotor 201 med en brännkammare 202 och en luftförvärmare 203. Den vid förbränningen genererade värmen tillföres motorn i en värmare 203. Värme lagras i en regenerator 205, och värme, som inte omvandlas till tryckenergi eller mekanisk energi, avledes i en kylare 206. En deplacementskolv 207 flyttar arbetsgasen från en varm del av motorn till en kall och vice versa, varvid en tryckvariation uppstår på undersidan av arbetskolven 208. I ett buffertutrymme 209 råder gas- medeltryck med endast små variationer, eftersom buffert- volymen är väsentligt större än motorns slagvolym. Tryck- skillnaden över arbetskolven driver en mekanism 210 i vevhuset 211, i vilket ett väsentligt lägre gastryck råder än i bufferten 209. Vevmekanismen 210 driver två mot- roterande elgeneratorer 212, som är hermetiskt inneslutna i vevhuset. Endast en elkabel, som levererar den nyttiga elektriska effekten, står i förbindelse med omgivningen.

Vevmekanismen driver också en gaspump 213, som pumpar arbetsgas från vevhuset till en högtrycksflaska 214.

Medelst en ventil 215 kan snabbt arbetsgas tillföras till motorns cylinder, så att motorns effekt snabbt ökar. På samma sätt kan en ventil 216 öppnas, så att arbetsgas snabbt avlägsnas från motorns cylinder, varvid motorns effekt snabbt minskar. På detta sätt kan motorns effekt snabbt ändras på önskat sätt med bibehållande av verk- ningsgraden och således utan ökning av bränsleförbruk- ningen. 10 15 20 25 30 35 467 837 _7 I fig 3 visas motsvarande funktion för en fyrcylind- rig dubbelverkande Stirlingmotor 301, som har en brännkam- mare 302, vilken är gemensam för alla fyra cylindrar, vär- marrör 303, vilka är anordnade i en cirkel runt förbrän- ningszonen, regeneratorer 304, kylare 305 och kolvar 306, en i varje cylinder. Cylindrarna är anordnade i rad och sammanbundna med värmeväxlarna enligt den kända dubel- verkande Stirlingprincipen. Kolvarnas rörelse överföres till rotation via ok 307 medelst två motroterande vevaxlar 308, som är inneslutna i vevhuset 309. Vevaxlarna 308 är inbördes synkroniserade medelst kugghjul 310. Dessutom är varje vevaxel kopplad till en i vevhuset integrerad, roterande elgenerator 311.

Effektregleringen av motorn utföres vid behov av ökad effekt genom att arbetsgas tillföres förbindelseledningen 312 i motorn mellan kylaren 305 och det kalla utrymmet under kolven 306 genom öppning av en ventil 313, så att arbetsgas med högt tryck strömmar frán en högtrycksflaska 314. Gas pumpas kontinuerligt från motorns vevhus 309 till högtrycksflaskan 314 med hjälp av fyra gaspumpar 315, en för varje cylinder, varvid pumparna är inbyggda i vevhuset och drives direkt av kolvstängerna 316. Vid minskat effektbehov tappas arbetsgas från motorn via en ventil 317 till vevhuset, i vilket tack vare gaspumparna 315 ett väsentligt lägre tryck föreligger än medelgastrycket i motorn. På så sätt kan motorns effekt snabbt ökas och minskas med hjälp av ventilerna 313 och 317, vilka står i förbindelse med samtliga fyra cylindrar i motorn, så att dessa regleras på samma sätt. vevhuset 309 kan alternativt vara hermetiskt slutet med integrerade elgeneratorer, vara kopplat genom magnetiska kopplingar pà vevaxlarna till yttre drivna anordningar eller vara försett med i vevhusväggen anordnade, avtätade axelgenomföringar.

I fig 4 demonstreras uppfinningen med hjälp av en dubbelverkande, fyrcylindrig Stirlingmotor 401, som via kolvstänger 402 och en vevmekanism 403 driver en dub- belverkande, fyrcylindrig värmepump 404, som arbetar' 467 857 10 15 20 25 30 35 8 enligt Stirlingcykeln. Vevaxlarna 405 är samtidigt kopplade till var sin roterande elgenerator 406, vilka är integrerade i vevhuset. I värmepumpen finns en värmeupp- § tagande värmeväxlare 407, en värmeavgivande värmeväxlare 408 och en regenerator 409.

Värmeväxlande medium cirkulerar i värmeväxlaren 407 genom ett inlopp 410 och ett utlopp 411. Pá samma sätt har värmeväxlarna 408 ett inlopp 412 och ett utlopp 413 för ett värmeväxlande medium. Med hjälp av högtrycksflaskan 414 kan Stirlingmotorn med sina fyra cylindrar trycksättas via ventilen 415, medan Stirlingvärmepumpen med likaledes fyra cylindrar kan trycksättas via ventilen 416. I vev- huset 417 råder väsentligt lägre tryck än i de båda Stirlingcyklerna, tack vare att fyra gaspumpar 418a, b, c, d, en för varje cylinder, pumpar arbetsgas till högtrycks- behållaren. Stirlingmotorns och Stirlingvärmepumpens effekt kan på detta sätt individuellt ökas genom tillför- sel av arbetsgas. De bada energiomvandlarnas effekt mins- kas pà analogt sätt genom att arbetsgas fràn cyklerna avtappas till vevhuset via ventilen 419 för motorn och ventilen 420 för värmepumpen. De till vevaxlarna kopplad elgeneratorerna kan fås att leverera mer eller mindre elström beroende på hur motorns och värmepumpens effekter regleras.

Värmepumpen i fig 4 kan alternativt fungera som kyl- maskin, där kylmediet strömmar genom värmeväxlaren 407 via in- och utloppen 410 och 411.

De i fig 2-4 visade exemplen utgör endast nâgra av de möjligheter till energiomvandlare som arbetar enligt Stirling-, Ericsson- eller liknande termodynamiska cykler och som kan effektregleras genom modulerad medeltrycks- reglering enligt uppfinningen. Det är också möjligt att använda tvà eller flera trycknivàer i làgtrycksdelen, t ex ° genom att låta vevhuset arbeta på en lágtrycksnivà och el- generatorhuset eller -husen på en annan làgtrycksnivá under förutsättning att flera uppsättningar gaspumpar och ventiler används. Likaledes kan flera högtrycksnivàer an- 10 15 20 25 30 35 467 837 9 ordnas, t ex en nivå i deplacementskolvens inre, som kopplas till gaspumpen genom en rörformad kolvstáng, och en annan nivå i en extern högtrycksflaska.

Claims (4)

1. 467 837 10 15 20 25 30 35 1o_ PATENTKRAV l. Energiomvandlare, som arbetar enligt Stirling-, Ericsson- eller liknande termodynamiska cykler och som effektregleras genom reglering av arbetsgasens medeltryck, vilken reglering åstadkommas med hjälp av minst en med arbetsgas fylld och till energiomvandlarens cylinder/-rar kopplad tryckbehàllare (214: 314; 414), i vilken gas- trycket väsentligt överstiger medeltrycket och vilken sålunda möjliggör ökning av detta, minst en med ut- loppssidan till tryckbehållaren kopplad gaspump (213: 315; 4l8a, b, c, d), vilken vid sin inloppssida skapar ett undertryck som möjliggör minskning av arbetsgastrycket, och ventiler (215, 216; 313, 317; 415, 416, 419, 420) för styrning av både tryckökningen och -minskningen, k ä n - n e t e c k n a d av minst en i energiomvandlaren inrymd och med arbetsgas fylld lågtrycksbehållare, i vilken ar- betsgastrycket väsentligt understiger medeltrycket och vilken har förbindelse dels med gaspumpens inloppssida, dels via ventilen/-rna för styrning av medeltrycks- minskningen med energiomvandlarens cylinder/-rar, varvid lågtrycksbehållarens/-nas totala volym är betydligt större än energiomvandlarens slagvolym.

2. Energiomvandlare enligt krav l, k ä n n e - t e c k n a d av att energiomvandlarens vevhus (211: 309; 417), som är tätat både mot energiomvandlarens cylinder/- rar och mot omgivningen, utgör en lågtrycksbehållare.

3. Energiomvandlare enligt krav l eller 2,' k ä n - n e t e c k n a d av att i energiomvandlaren ingående eller till energiomvandlaren kopplade generator- eller växellådshus, som är avtätade mot omgivningen, tjänstgör som làgtrycksbehàllare.

4. Energiomvandlare enligt något av krav 1-3, 'k ä n n e t e c k n a d av flera làgtrycksbehållare med inbördes olika tryck.