Двигатель стирлинга
Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к двигателям с внешним подводом тепла. Техническим результатом является повышение эффективности теплопередачи. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель Стирлинга содержит корпус, вытеснитель и рабочий поршень, выполненные с возможностью осуществления возвратно-поступательного перемещения друг относительно друга. Рабочая часть (1) является смежной с вытеснителем для поглощения тепла и окружена блоком (14, 20) из меди или алюминия. Существенная часть блока представляет собой облицовку из слоя (18) нержавеющей стали или Инконеля толщиной между 3 мм и 0,15 мм. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.
ОБЛАСТЬ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к двигателю Стирлинга.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Двигатели Стирлинга являются тепловыми машинами, работающими по циклу Карно, которые работают лучше всего, когда имеют достаточно высокий подвод тепла с постоянной высокой температурой через свои рабочие части. Таким образом, они идеально подходят для нагрева газовой горелкой, которая может всегда подавать достаточно тепла при высокой температуре. Заявитель разработал и производит такой двигатель Стирлинга (двигатель MicrogenTM lkWe) подходящий для применения в домашнем оборудовании для обеспечения электроэнергией и горячей водой. Газовая горелка спроектирована для подачи тепла с высокой температурой к оптимальному месту, противоположному внутреннему и внешнему акцепторному оребрению двигателя Стирлинга.
Двигатели также хорошо подходят для использования на удаленных площадках, поскольку являются герметичными блоками с большим сроком службы и требуют мало или вообще не требуют техобслуживания. Однако, вдали от гарантированного газоснабжения, виды топлива, которые имеются в наличии, например, биомасса, отработанное тепло и солнечная энергия не способны генерировать тепло в постоянном режиме, как это обеспечивает система газоснабжения.
Одной попыткой решения данной проблемы является заключение рабочей части двигателя Стирлинга в блок из меди, припаянный к рабочей части на месте, где обычно прикрепляют внешнее оребрение. Медь имеет высокую удельную теплопроводность, и поэтому создается увеличенная площадь поверхности и хорошая теплопередача на рабочую часть. Дополнительно, ее масса обеспечивает тепловую инерцию для сглаживания любых вариаций при подводе тепла.
Указанное, однако, не дает работоспособного решения, поскольку оксид меди быстро нарастает на внешней поверхности медного блока, функциональные возможности которого по теплопередаче за очень короткий промежуток времени уменьшаются до неприемлемого уровня.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно настоящему изобретению создан двигатель Стирлинга содержащий корпус, который содержит вытеснитель и рабочий поршень, выполненные с возможностью осуществления возвратно-поступательного перемещения относительно друг друга, рабочую часть, смежную с вытеснителем для поглощения тепла, причем рабочая часть окружена блоком из меди или алюминия, при этом существенной частью блока является облицовка слоем нержавеющей стали или Инконеля толщиной между 3 мм и 0,15 мм.
Предпринимая очевидно контрпродуктивный шаг по применению материала с низкой удельной теплопроводностью, настоящее изобретение создает, впервые, успешный двигатель Стирлинга, который можно применять, когда источник тепла имеет низкую температуру и является трудно направляемым и управляемым.
Высокая удельная теплопроводность блока из меди или алюминия уменьшает падение температуры на блоке, уменьшая среднюю температуру блока для данной мощности двигателя и рабочей температуры рабочей части. Обычно, медь должна иметь удельную теплопроводность приблизительно 400 Вт/мК и алюминий приблизительно 200Вт/мК. Данная увеличенная масса содействует поддерживанию и контролированию более ровных температур, имея существенную количество тепла и обеспечивая замедленные временные ограничения и гораздо больше времени до перегрева рабочей части или переохлаждения. Данное требуется в системах, где источник тепла точно не регулируется и дает гораздо больше времени для управляющих воздействий на источник тепла.
Увеличенная площадь поверхности от рабочей части уменьшает интенсивность теплового потока и снижает температуру поверхности. Данное обеспечивает применение материала менее исчерпывающего поглощения и, следовательно, более дешевого.
Требуется блок из меди или алюминия достаточно большой, чтобы иметь необходимую тепловую инерцию и площадь поверхности. Фактические размеры блока должны зависеть от размера двигателя и источника тепла. Вместе с тем, предпочтительно, блок имеет максимальное расстояние от самой внешней поверхности до ближайшей части корпуса, большее, чем 1 см. Данное фактически требует минимальной толщины блока, составляющей по меньшей мере 1 см.
Аналогично, конкретная толщина слоя облицовки зависит от рабочих параметров. Вместе с тем, толщина предпочтительно составляет от 1 мм до 0,5 мм.
Блок может иметь в общем форму усеченного конуса, расположенного коаксиально с рабочей частью и с более широким концом самого дальнего от рабочей части блока, где он обеспечивает круглую поверхность. Данная форма усеченного конуса представляет широкую круглую поверхность, обращенную от рабочей части цилиндра, которая является особенно подходящей для поглощения солнечного излучения.
Предпочтительно, только круглая поверхность блока на более широком конце представляет собой облицовку. Данная поверхность должна испытывать самые высокие температуры и поэтому выигрывает от защитной облицовки. Также, коническая криволинейная поверхность под круглой поверхностью является более сложной для облицовки. Данную поверхность предпочтительно наплавливают.
Для источника, не являющегося солнечным источником энергии, блок по существу с цилиндрической конфигурацией является предпочтительным. В данном случае, большая часть тепла поглощается через верхнюю и боковую поверхности блока. Боковая и верхняя поверхности предпочтительно представляют собой облицовку.
Двигатель Стирлинга может являться двигателем Стирлинга любого вида, но предпочтительно является свободнопоршневым двигателем и является предпочтительно линейным двигателем.
Примеры двигателей Стирлинга согласно настоящему изобретению описаны ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано следующее.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 представляет собой вид сбоку двигателя Стирлинга с участком рабочая часть, показанным в сечении для применения с источником солнечной энергии.
На фиг. 2 представляет собой сечение через конец рабочей части корпуса двигателя Стирлинга для двигателя, использующего в качестве источника энергии биомассу или отработанное тепло.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Базовая конструкция двигателя Стирлинга является известной в технике, например, двигатель MicrogenTM lkW. Двигатель является линейным свободнопоршневым двигателем Стирлинга с вытеснителем (не показан) смежным с конец 1 рабочей части и рабочим поршнем (не показан) смежным с противоположным концом 2. Тепло подается на конец 1 рабочей части. Данная теплота поглощается внутренним оребрением 3, как показано на фиг. 2. Контур охладителя окружает центральный участок двигателя. Данный контур содержит впуск 4 охладителя и внутреннюю камеру 5 охладителя, вокруг которой охладитель циркулирует для создания перепада температуры между концом рабочей части и центральным участком двигателя. Данный перепад вызывает возвратно-поступательное перемещение вытеснителя образом, хорошо известным в уровне техники. Вытеснитель возвратно-поступательно перемещается без совпадения по фазе с рабочим поршнем, и создается выходной переменный ток на противоположном конце 2. Вода в контуре охладителя затем подается в теплообменник (не показан), где поглощает тепло отработанных газов двигателя для обеспечения подачи тепла.
Кольцевой фланец 7 окружает центральный участок двигателя и является средством, на которое двигатель опирается, также известным в уровне техники.
Настоящее изобретение направлено на создание блока смежного с рабочей частью для улучшения поглощение тепла для частных источников.
Как показано на фиг. 1, рабочая часть 10 цилиндра окружена блоком 11, имеющим в общем форму усеченного конуса с узким кольцевым концом 12 и широким круглым концом 13 с цилиндрической выемкой 14, продолжающейся по центру от узкого конца 12 блока 11 большую часть расстояния до более широкого конца. На конце выемки 14, образовано пространство 15 между криволинейной вершиной рабочей части и блоком 11. Данное выполнено, во-первых, поскольку создается низкая теплопередача, которая происходит в данной точке, и во-вторых поскольку цилиндрическую форму, показанную на фиг. 1, проще выполнить станочной обработкой.
Блок 11 выполнен из меди или алюминия и круглая верхняя поверхность 16 является облицовкой с круглым диском 18 из нержавеющей стали или Инконеля толщиной между 3 мм и 0,15 мм. На криволинейную поверхность 17 медного блока 14 и/или нижнюю облицовку 13 на узком конце 12 наплавлен никель.
Для работы обеспечен приемник солнечной энергии для направления солнечной энергии на круглый конец 13 так, что данная энергия поглощается в блок 11 и, таким образом, в рабочую часть 10. Понятно, что относительно большой размер блока и использование в нем меди или алюминия обеспечивает большое количество тепла, что оптимизирует поглощение тепла в рабочей части. Во-вторых, большое количество тепла обеспечивает некоторый уровень сглаживания для данного иначе непредсказуемого источника тепла.
На фиг. 2 показан аналогичный блок, подходящий для варианта без использования солнечной энергии. В данном случае блок 20 является цилиндрическим, но имеет аналогичную центральную выемку 14, принимающую рабочую часть. В данном случае обе, круглая концевая поверхность 21 и кольцевая боковая поверхность 22 облицованы слоем нержавеющей стали или Инконеля с толщиной между 3 мм и 0,15 мм, так как теплопередача более равномерно распределена по поверхностям. Концевая поверхность 23 блока ближайшая к установочному хомуту 7 не требует облицовки, поскольку не принимает значительного тепла напрямую. Однако, при необходимости тепло может требовать облицовки.
Обычные тепловые свойства используемых материалов приведены ниже:
| Материал | Удельная теплопроводность 1 | Плотность | Удельное Тепло |
| Вт/м K | кг/м3 | кДж/кг K | |
| Медь | 400 | 8960 | 0,3785 |
| Нержавеющая сталь(304) | 16-20 | 8030 | 0,5 |
| Алюминий | 205 | 2700 | 0,897 |
| Инконели (сплавы Никеля) |
16 | 8430 | нет данных |
1. Двигатель Стирлинга, содержащий корпус, содержащий вытеснитель и рабочий поршень, выполненные с возможностью осуществления возвратно-поступательного перемещения друг относительно друга, рабочую часть, смежную с вытеснителем для поглощения тепла, причем рабочая часть окружена блоком из меди или алюминия, при этом часть, которая принимает тепло, излучаемое источником тепла, составляет облицовка из слоя нержавеющей стали или Инконеля толщиной между 3 мм и 0,15 мм.
2. Двигатель по п. 1, в котором блок имеет максимальное расстояние от самой внешней поверхности до ближайшей части корпуса, большей чем 1 см.
3. Двигатель по п. 1 или 2, в котором толщина облицовочного слоя составляет от 1 мм до 0,5 мм.
4. Двигатель по любому из предшествующих пунктов, в котором блок имеет, по существу, форму усеченного конуса, расположен коаксиально с рабочей частью и с более широким концом самого дальнего от рабочей части блока, где он обеспечивает круглую поверхность.
5. Двигатель по п. 4, в котором только круглая поверхность блока на более широком конце представляет собой облицовку.
6. Двигатель по п. 5, в котором на коническую поверхность блока наплавлен никель.
7. Двигатель по любому из пп. 1-3, в котором блок имеет, по существу, цилиндрическую форму и расположен коаксиально с рабочей частью.
8. Двигатель по п. 7, в котором верхняя и/или боковая поверхности блока представляют собой облицовку.
9. Двигатель по п.1, который является свободнопоршневым двигателем.
10. Двигатель п.1, который является линейным двигателем.
11. Комбинация двигателя по любому из предшествующих пунктов с источником энергии в виде биомассы, отработанного тепла или солнечного тепла, выполненным с возможностью подведения тепла к рабочей части посредством блока и облицовки.
