PL 219116 B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 219116 (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: 392581 (22) Data zgłoszenia: 04.10.2010 (51) Int.Cl. F02G 1/043 (2006.01) F01K 27/00 (2006.01) F01C 11/00 (2006.01) (54) Beztłokowy rotacyjny silnik Stirlinga (43) Zgłoszenie ogłoszono: 10.04.2012 BUP 08/12 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.03.2015 WUP 03/15 (73) Uprawniony z patentu: WĄSOWSKI ANDRZEJ BDT-SYSTEM, Rzeszów, PL (72) Twórca(y) wynalazku: ANDRZEJ WĄSOWSKI, Rzeszów, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Tadeusz Warzybok
2 PL 219 116 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest beztłokowy rotacyjny silnik Stirlinga, przeznaczony zwłaszcza do uzupełniania energii w hybrydowych i elektrycznych pojazdach samochodowych. Może on służyć również jako mała i przenośna panelowa prądnica na terenach pozbawionych dostępu do sieci energetycznej, jako panelowa bateria słoneczna lub jako przemysłowy układ do odzysku energii w procesach produkcyjnych wytwarzających duże ilości ciepła, a także w stacjach kosmicznych będących w przestrzeni kosmicznej lub na planetach. Znany powszechnie silnik Stirlinga jest silnikiem cieplnym zewnętrznego spalania, przetwarzającym energię cieplną w energię mechaniczną, z pominięciem procesu wewnętrznego spalania paliwa, gdyż ciepło do tego silnika dostarczane jest z zewnętrznej nagrzewnicy, a jego źródłem może być także proces spalania odpowiedniego paliwa na przykład gazu. Źródłem jego ciepła może też być energia egzotermicznej reakcji chemicznej. W podstawowej wersji konstrukcyjnej silnik Stirlinga składa się z dwóch cylindrów ciepłego zasilanego ciepłem zewnętrznej nagrzewnicy i zimnego ochładzanego zewnętrzną chłodnicą, przy czym podstawy obu tych cylindrów połączone są przewodem rurowym ze sobą, a wewnątrz nich znajduje się stała ilość gazu oraz umieszczony przesuwnie tłok, spełniający funkcję wypornika tego gazu. W jednym z cylindrów znajduje się umieszczony luźno przesuwny tłok spełniający funkcję wypornika gazu, a w drugim z cylindrów tłok ten połączony jest z nim ciasno. Oba te tłoki połączone są ze sobą za pomocą ich korbowodów z wałem korbowym, tak aby tłok w cylindrze ciepłym wyprzedzał tłok w cylindrze zimnym o 1/4 cyklu pracy tego silnika. Zasada działania tego silnika polega na tym, że najpierw gaz ogrzewany w cylindrze ciepłym powiększa swoją objętość, po czym jest on przetłaczany przez tłok tego cylindra do cylindra zimnego, w którym zmniejsza swoją objętość i w minimum swej objętości jest przetłaczany przez tłok tego cylindra do cylindra ciepłego, po czym cykl pracy się powtarza. Z publikacji pt.: Silnik Stirlinga Stefan Żmudzki, Warszawa 1993 str.168 znana jest maszyna Stirlinga wykorzystywana do klimatyzacji i ogrzewania powietrza w pomieszczeniu, zawierająca dwa wymienniki ciepła, umieszczone w przestrzeni rozprężania o niskiej temperaturze i w przestrzeni sprężania o wyższej temperaturze ich pracy silnika Stirlinga. Wspólny mechanizm roboczy napędza dwa tłoki pracujące w cylindrach o osiach nachylonych pod kątem zbliżonym do 90, a obie przestrzenie nadtłokowe są ze sobą połączone kanałem łączącym, który utrzymuje w nich jednakowe parametry gazu roboczego. Przestrzeń sprężania tłoka jest połączona z przestrzenią rozprężania drugiego cylindra poprzez zespół wymienników ciepła właściwy silnikowi Stirlinga, to jest nagrzewnicę wysokotemperaturową, regenerator i chłodnicę. Elementy te umożliwiają wykonanie pracy użytecznej przez jeden tłok, która jest przekazywana na drugi tłok. W wyniku dostarczania mocy z zewnątrz do napędu maszyny Stirlinga, w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara, w czasie rozprężania gazu roboczego w przestrzeni rozprężania zachodzi przejmowanie ciepła w umieszczonym tam wymienniku ciepła z atmosfery, za pośrednictwem czynnika obiegowego. Z kolei, w czasie sprężania gazu roboczego w przestrzeni sprężania następuje przekazywanie ciepła w wymienniku do czynnika obiegowego ogrzewającego określone pomieszczenie. Podstawową wadą znanych konstrukcji silników Stirlinga jest konieczność stosowania dużych powierzchni wymiany ciepła oraz zbyt niska trwałość pierścieni uszczelniających trzon tłoka, a rozwiązania konstrukcyjne zespołu tłoka nie zapewniają w pełni skutecznego efektu zgarniania oleju z powierzchni zewnętrznej trzonu tłoka, pogarszając efektywność pracy tego silnika, a zbyt rozbudowana jego konstrukcja ma wpływ na zbyt duże koszty jego wytwarzania. Poza tym wszystkie dotychczasowe rozwiązania konstrukcyjne wykorzystujące ogólną zasadę pracy silnika Stirlinga sprowadzały się do odpowiedniego skojarzenia i skonfigurowania wymiennika ciepła z poruszającym się wewnątrz niego tłokiem wypornika, z typowym tłokiem pneumatycznego siłownika wykonującego pracę i tworzącego dodatnie sprzężenie zwrotne zależne od różnicy temperatur występujących w części zimnej i ciepłej tego wymiennika. Nastręcza to zawsze duże problemy techniczne związane z odpowiednią konfiguracją wałów, korbowodów, faz pracy tłoków oraz problemy związane z ich uszczelnianiem, co wpływa na znaczny koszt takiego silnika. Celem wynalazku jest opracowanie w porównaniu do znanych dotychczas rozwiązań znacznie prostszej, zwartej konstrukcji uniwersalnego silnika Stirlinga o podwyższonej jego sprawności, pozbawionego tłoków, łączących ich korbowodów i siłowników pneumatycznych, pozwalającej na bezpośrednią zamianę dostarczanej energii cieplnej w każdej jej postaci, w tym energii słonecznej lub ener-
PL 219 116 B1 3 gii spalania dowolnego paliwa na ruch obrotowy wału bez pośrednictwa kosztownych układów tłokowo-korbowodowych oraz eliminującej problemy związane z uszczelnianiem tłoków. Istota beztłokowego rotacyjnego silnika Stirlinga według wynalazku polega na tym, że składa się z co najmniej jednego hermetycznego dwuczęściowego cylindra i umieszczonego w nim obrotowo, ciasno pasowanego wału, lub korzystnie silnik ten składa się z dwóch hermetycznych dwuczęściowych cylindrów połączonych sztywno ze sobą z umieszczonymi w nich luźno pasowanymi profilowymi wypornikami osadzonymi na wspólnym wale, przy czym na wystającym końcu osi jednego wału oraz na wystającym końcu drugiego wału osadzony jest rozrusznik i wirnik silnika pneumatycznego, którego korpus połączony jest sztywno z czołem cylindra, a ponadto części tych trzech cylindrów zawierające gaz roboczy ogrzewany przez nagrzewnicę połączone są poprzez kanał powietrzny z częścią cylindryczną silnika pneumatycznego, natomiast części tych cylindrów zawierające gaz roboczy ochładzany przez chłodnicę połączone są poprzez kanał powietrzny również z częścią cylindryczną tego silnika. Korzystnym jest gdy cylindry te składają się z dwóch identycznych części oddzielonych od siebie izolacją termiczną. Korzystnym jest również gdy w obwodzie obu kanałów powietrznych znajduje się prostownik pneumatyczny zawierający cztery zawory zwrotne tworzące korzystnie układ podobny do układu elektrycznego mostka Graetza, a jako silnik pneumatyczny stosuje się korzystnie silnik turbinowy, lub silnik pneumatyczny typu Tesli, natomiast do rozruchu tego silnika stosuje się korzystnie rozrusznik elektryczny. Korzystnym jest gdy wał tego silnika posiada wykonane co najmniej dwa usytuowane podłużnie i naprzeciw siebie oraz współosiowo wybrania korzystnie o profilu soczewki dwuwypukłej, a wał ten w przekroju pionowym ma kształt utworzony z elementu półkolistego zakończonego częścią o profilu trójkąta rozwartokątnego z zaokrąglonym jego wierzchołkiem. Korzystnym jest także, gdy w dwuczęściowym okrągłym jednym hermetycznym cylindrze oraz w dwóch pozostałych hermetycznych cylindrach umieszczony jest wypornik mający w przekroju pionowym kształt utworzony z elementu półkolistego, zakończonego częścią o profilu trójkąta rozwartokątnego, którego wierzchołek zakończony jest osiowo usytuowanym elementem złożonym z części prostokątnej przechodzącej w część półkolistą. Korzystnym jest gdy silnik ten posiada dwuczęściowy cylinder o kształcie zbliżonym do owalu, a umieszczony w nim wał w przekroju pionowym ma kształt elementu półkolistego zakończonego częścią o profilu trójkąta rozwartokątnego, którego wierzchołek zakończony jest osiowo usytuowanym elementem złożonym z części prostokątnej przechodzącej w część półkolistą. Korzystnym jest gdy dwuczęściowy jeden cylinder lub oba cylindry tego silnika mają w przekroju pionowym kształt zbliżony do owalu posiadającego na wewnętrznej powierzchni ich części ogrzewanej kilka wybrań prostokątnych tworzących żebra spełniające funkcję radiatorów, a naprzeciw nich w ich częściach chłodzonych posiadają wyjęcie w kształcie wycinka pierścienia. Korzystnym jest także, gdy w jego dwuczęściowych okrągłych cylindrach umieszczone są jeden lub dwa wyporniki mające w przekroju pionowym kształt utworzony z części półkolistej, przechodzącej poprzez promień wypukły w promień wklęsły, w kolejną część półkolistą, z której w osi symetrii wystaje element prostokątny, zakończony elementem o profilu czaszy kulistej wklęsłej. Korzystnym jest także, gdy w jego dwuczęściowych okrągłych cylindrach posiadających na swej wewnętrznej powierzchni kilka wybrań prostokątnych tworzących żebra spełniające funkcje radiatorów oraz naprzeciw nich wyjęcie w kształcie wycinka pierścienia umieszczony jest wypornik lub wyporniki mające w przekroju pionowym kształt utworzony z części półkolistej przechodzącej w część w kształcicie trójkąta rozwartokątnego, z którego wierzchołka wystaje element prostokątny zakończony elementem w kształcie czaszy kulistej wklęsłej. Korzystnym jest gdy dwuczęściowe cylindry tego silnika mają kształt spłaszczonego owalu, w którym umieszczony jest wypornik lub wyporniki mające w przekroju pionowym kształt utworzony z części półkolistej przechodzącej w część w kształcicie trójkąta rozwartokątnego, z którego wierzchołka wystaje element prostokątny zakończony elementem w kształcie czaszy kulistej wklęsłej. Do podstawowych zalet rozwiązania konstrukcyjnego beztłokowego rotacyjnego silnika Stirlinga według wynalazku w stosunku do znanych dotychczas konstrukcji tych silników należy zaliczyć: całkowite wyeliminowanie kosztownych układów tłokowo-korbowodowych, siłowników pneumatycznych oraz problemów związanych z należytym uszczelnianiem tłoków w ich cylindrach. Poza tym zastosowanie w beztłokowym rotacyjnym silniku pracy dwóch lub większej ilości parzystej komór ogrzewanych i chłodzonych powoduje, że element wykonawczy tego silnika, którym jest silnik pneumatyczny turbinowy, łopatkowy lub typu Tesli otrzymuje zawsze dwukrotnie większe ciśnienie bezwzględne w porównaniu do klasycznych znanych silników Stirlinga, składających się z jednego cylindra z wypornikiem i drugiego cylindra z tłokiem. Dodatkową zaletą silnika według wynalazku jest możliwość wykorzystania do jego napędu energii cieplnej w każdej formie, gdyż ogrzewanie cieplnych komór
4 PL 219 116 B1 gazowych może być realizowane za pomocą każdego źródła ciepła takiego jak energia słoneczna, para, energia geotermalna, chemiczna, jak również energia spalania każdego dowolnego paliwa w tym gazu. Z kolei chłodzenie komór zimnych może być realizowane za pomocą przepływającego schładzanego powietrza, zimną wodą lub innym medium o niskiej temperaturze. Przedmiot wynalazku został pokazany w przykładach jego wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia beztłokowy rotacyjny silnik Stirlinga w pierwszym przykładzie jego wykonania, posiadający jeden cylinder z umieszczonym w nim wirnikiem spełniającym funkcje wypornika, stanowiącego pierwszą wersję jego kształtu w przekroju osiowym, fig. 2 ten sam silnik w przekroju pionowym wzdłuż linii A-A, fig. 3 ten sam silnik w przekroju pionowym wzdłuż linii B-B, fig. 4-7 ten sam silnik w przekrojach osiowych pokazujących usytuowanie jego wirnika-wypornika oraz wirnika silnika pneumatycznego w czterech cyklach jego pracy, przesuniętych względem siebie co 90, fig. 8-11 ten sam silnik pokazujący usytuowanie jego wirnika silnika pneumatycznego w czerech cyklach jego pracy w przekrojach pionowych wzdłuż linii C-C na fig. 4-7, fig. 12-15 ten sam silnik pokazujący usytuowanie jego wirnika w czterech cyklach jego pracy w przekrojach pionowych wzdłuż linii D-D na fig. 4-7, fig. 16 drugą wersję wykonania kształtu wirnika wypornika tego silnika w przekroju pionowym wzdłuż linii B-B, fig. 17 trzecią wersję wykonania kształtu wirnika - wypornika tego silnika w przekroju pionowym wzdłuż linii B-B, fig. 18 czwartą wersję wykonania kształtu wirnika i cylindra tego silnika w przekroju pionowym, wzdłuż linii B-B, fig. 19 piątą wersję wykonania kształtu wirnika i cylindra tego silnika w przekroju pionowym wzdłuż linii B-B, fig. 20 schemat ideowy obrazujący zasadę działania tego samego silnika z pierwszą wersją wykonania jego wirnika - wypornika pokazanego na fig. 1-3, fig. 21 beztłokowy rotacyjny silnik Stirlinga w drugim przykładzie jego wykonania posiadający dwa cylindry z umieszczonymi w nich obrotowymi wypornikami o kształcie pokazanym na fig. 17, osadzonymi na wspólnym wale w przekroju osiowym, fig. 22 ten sam silnik w przekroju pionowym wzdłuż linii E-E, fig. 23 ten sam silnik w przekroju pionowym wzdłuż linii F-F, fig. 24 ten sam silnik w przekroju pionowym wzdłuż linii G-G, fig. 25-28 ten sam silnik w przekrojach osiowych pokazujących usytuowanie jego obu wyporników oraz wirnika silnika pneumatycznego w czterech cyklach jego pracy, przesuniętych względem siebie co 90, fig. 29-32 ten sam silnik pokazujący usytuowanie jego wirnika silnika pneumatycznego w czterech cyklach jego pracy w przekrojach pionowych wzdłuż linii H-H, fig. 33-36 ten sam silnik pokazujący usytuowanie jego pierwszego wirnika wypornika, w czterech cyklach jego pracy w przekrojach pionowych wzdłuż linii K-K, fig. 37-40 ten sam silnik pokazujący usytuowanie jego drugiego wirnika wypornika, w czterech cyklach jego pracy w przekrojach pionowych wzdłuż linii L-L, fig. 41 drugą wersję wykonania kształtu wirnika wypornika i cylindra silnika pokazanego na fig. 23 w przekroju pionowym wzdłuż linii F-F i G-G, fig. 42 trzecią wersję wykonania jego wirnika wypornika i cylindra silnika pokazanego na fig. 23 w przekroju pionowym wzdłuż linii F-F i G-G, fig. 43 czwartą wersję wykonania jego wirnika wypornika i cylindra silnika pokazanego na fig. 23 w przekroju osiowym wzdłuż linii F-F i G-G, fig. 44 piątą odmianę wykonania kształtu wirnika - wypornika i cylindra silnika pokazanego na fig. 23 w przekroju pionowym wzdłuż linii F-F i G-G, a fig. 45 schemat ideowy obrazujący zasadę działania tego silnika z pierwszą wersją wykonania jego wirnika wypornika pokazanego na rysunkach fig. 21-40. Beztłokowy rotacyjny silnik Stirlinga według pierwszego przykładu jego wykonania pokazany na rysunkach fig. 1-15 oraz fig. 20 składa się z cylindra (1), umieszczonego w nim obrotowo ciasno pasowanego wału (2) z wystającymi na zewnątrz bocznych łączników tarczowych (3 i 4) i ułożyskowanych w nich obu końców (5 i 6) osi tego wału, przy czym łącznik tarczowy (3) połączony jest trwale z korpusem (7) silnika pneumatycznego łopatkowego (8), którego wirnik (9) umieszczony w jego części cylindrycznej (10) osadzony jest na końcu (5) osi, wprawianym w ruch obrotowy za pomocą rozrusznika pneumatycznego (11) a boczny łącznik tarczowy (4) połączony jest trwale z drugim czołem cylindra (1). Cylinder (1) tego silnika składa się z dwóch identycznych hermetycznie zamkniętych części - ogrzewanej (12) i chłodzonej (13) odizolowanych od siebie izolacją termiczną (14), z których ogrzewana część (12) połączona jest z nagrzewnicą (15) oraz za pomocą wspólnego kanału powietrznego (16) poprzez otwór (17) z górną ogrzewaną częścią cylindra korpusu (7) silnika pneumatycznego (8), natomiast część chłodzona (13) cylindra (1), połączona jest z chłodnicą (19) oraz za pomocą wspólnego kanału powietrznego (18) poprzez otwór (20) z dolną częścią cylindra korpusu (7) silnika pneumatycznego łopatkowego (8). Z kolei obrotowy wał (2) tego silnika spełniający funkcję wypornika gazu posiada wykonane dwa usytuowane podłużnie i naprzeciw siebie wybrania (21) o profilu zbliżonym do soczewki dwuwypukłej, spełniające funkcje komór (22 i 23) wypełnionych gazem roboczym ogrzewanym (24) i gazem roboczym chłodzonym (25).
PL 219 116 B1 5 Zasada działania silnika według tego wynalazku polega na tym, że po uprzednim uruchomieniu nagrzewnicy (15) oraz chłodnicy (19) i uzyskaniu odpowiedniej różnicy temperatur w komorach (22 i 23) wału (2) wypełnionych gazem roboczym ogrzewanym (24), na przykład powietrzem włącza się rozrusznik pneumatyczny (11) i wprowadza w ruch obrotowy ten wał oraz wirnik (9) silnika pneumatycznego łopatkowego (8), a ich obrót o 90 powoduje, że komory te ustawione są odpowiednio naprzeciw części ogrzewanej (12) i części chłodzonej (13) cylindra (1). W wyniku ogrzewania i chłodzenia gazu roboczego w ich komorach (22 i 23) w jednej z tych komór następuje wzrost jego ciśnienia, a w drugiej spadek ciśnienia tego gazu. Profilowe wybrania (21) współtworzące komory (22) i (23) w wale (2) usytuowane naprzeciw siebie powodują, że w czasie jego ruchu obrotowego odsłaniane są przez te komory kanały powietrzne (16 i 18) doprowadzające ogrzewany gaz roboczy (24) i gaz roboczy chłodzący (25) do części cylindrycznej korpusu (7) silnika pneumatycznego łopatkowego (8), przy czym różnica ciśnień działająca na ten silnik powoduje wystąpienie na jego końcu (5) osi wału (2) momentu obrotowego, powodującego ruch obrotowy tej osi wału wraz z jej wałem (2). Wynika z powyższego, że warunkiem koniecznym uruchomiania tego silnika jest uzyskanie odpowiedniej różnicy temperatur pomiędzy odizolowanymi termicznie od siebie częścią ogrzewaną (12) i częścią chłodzoną (13) cylindra (1). Z kolei, w czasie obrotu wału (2) o 180 otwory (17 i 20) kanałów powietrznych (16 i 18) doprowadzających gaz roboczy ogrzewany (24) i gaz roboczy chłodzący (25) do silnika pneumatycznego (8) są zasłaniane odpowiednio przez jego wirnik (9) oraz walcowe powierzchnie wału (2) usytuowane pomiędzy jego komorami gazowymi (22 i 23), natomiast po dokonaniu obrotu tego wirnika o 180 ochłodzona komora gazowa (23) tego wirnika w poprzednim cyklu pracy ustawia się naprzeciw części ogrzewanej (12) cylindra (1), a komora ogrzewana (22) tego wirnika w tym czasie ustawia się naprzeciw części chłodzonej (13) cylindra (1). Wówczas analogicznie jak w poprzednim cyklu pracy gaz roboczy (24 i 25) znajdujący się w komorach (22 i 23) wału (2) jest odpowiednio ogrzewany i chłodzony, oddziaływując tym samym na wirnik (9) silnika pneumatycznego łopatkowego (8) poprzez odsłonięte w tym czasie przez komory (22 i 23) kanały powietrzne (16 i 18) doprowadzające ten gaz. Masa wału (2) tego silnika spełnia funkcję klasycznego regeneratora Stirlinga, pozwalając na dodatkowe przekazywanie i odzyskiwanie energii pochodzącej od części ogrzewanej (12) i części chłodzonej (13) cylindra (1) poprzez jej wymianę za pośrednictwem gazu roboczego ogrzewanego (24) i gazu roboczego chłodzącego (25) znajdującego się w komorach (22 i 23) tego cylindra. Opisana wyżej budowa modułu jednego silnika beztłokowego według wynalazku stwarza możliwość łączenia na jednym wale szeregowo lub równolegle obok siebie wielu takich modułów poprzez ich mechaniczne lub magnetyczne sprzężenie, a przez to budowanie dowolnie dużych płaskich paneli wytwarzających energię mechaniczną lub elektryczną za pomocą odpowiednich prądnic elektrycznych. Konstrukcja opisanego wyżej silnika według wynalazku umożliwia także wykonanie silnika z wałem (2) posiadającym większą ilość parzystych wybrań (21) oraz komór ogrzewanych (22) i chłodzonych (23) pozwalających na bardziej zrównoważoną pracę tego silnika, jak również umożliwia ona budowę szeregową takiego silnika przez zwiększenie ilości par komór (22 i 23) wzdłuż jednego wału (2), względnie budowę równoległą przez tworzenie stosu równolegle do siebie obracających się wałów (2), umożliwiając przez to zamianę energii cieplnej oddawanej na dużych powierzchniach w energię mechaniczną. W innych przykładach wykonania tego silnika Stirlinga jego obrotowy wał (2) jak pokazano na rysunku fig. 16 w przekroju pionowym wzdłuż linii B- B pokazanej na fig. 1 ma kształt utworzony z elementu półkolistego (26) zakończonego częścią o profilu trójkąta rozwartokątnego (27) z zaokrąglonym jego wierzchołkiem, a jak pokazano na rysunku fig. 17 w przekroju pionowym wzdłuż linii B-B pokazanej na fig. 1 ma on również kształt utworzony z elementu półkolistego (26) zakończonego częścią o profilu trójkąta rozwartokątnego (27), którego wierzchołek zakończony jest osiowo usytuowanym elementem złożonym z części prostokątnej (28), której górny koniec przechodzi w część półkolistą (29), zaś jak pokazano na fig. 18 w przekroju pionowym wzdłuż linii B-B pokazanej na fig. 1 jego cylinder (30) ma kształt owalny, a umieszczony w nim wał (2) ma kształt identyczny jak wał pokazany na rysunku fig. 17, natomiast jak pokazano na rysunku fig. 19 w przekroju pionowym wzdłuż linii B-B pokazanym na rysunku fig. 1 jego cylinder (31) ma kształt owalny posiadający w górnej części trzy wybrania prostokątne (32) spełniające funkcje radiatorów, a w dolnej części wyjęcie (33) w kształcie wycinka pierścienia (34). Poza tym w innych, nie pokazanych na rysunku przykładach wykonania tego silnika Stirlinga cylinder (1) połączony jest trwale z korpusem (7) silnika pneumatycznego turbinowego lub silnika pneumatycznego typu Tesli, a do rozruchu silnika Stirlinga zastosowano rozrusznik elektryczny.
6 PL 219 116 B1 Beztłokowy rotacyjny silnik Stirlinga według drugiego przykładu jego wykonania pokazany na rysunku fig. 21-45 składa się z dwóch mechanicznie połączonych ze sobą hermetycznych cylindrów (35 i 36) oraz umieszczonego w nich wspólnego wału (37), którego końce (38 i 39) wystają na zewnątrz przymocowanych do czół tych cylindrów bocznych łączników tarczowych (40 i 41), a ponadto analogiczny łącznik tarczowy (42) umieszczony jest pomiędzy wewnętrznymi czołami cylindrów (35 i 36), które tworzą z nim nieruchomy monolit, przy czym na wale (37) w każdym z cylindrów (35 i 36) osadzone są profilowe wyporniki (43 i 44). Każdy z cylindrów (35 i 36) tego silnika składa się z dwóch identycznych hermetycznie zamkniętych części - ogrzewanych (45) i chłodzonych (46) odizolowanych od siebie izolacją termiczną (47), przy czym części ogrzewane (45) połączone są z nagrzewnicą (48) oraz za pomocą wspólnego ciepłego kanału powietrznego (49) poprzez połączony z nim prostownik pneumatyczny (50) i otwór (51) z górną ogrzewaną częścią cylindryczną (52) korpusu (53) silnika pneumatycznego łopatkowego (54), natomiast chłodzone części (46) obu cylindrów (35 i 36) połączone są z chłodnicą (55) oraz za pomocą wspólnego, zimnego kanału powietrznego (56) poprzez połączony z nim prostownik pneumatyczny (50) i poprzez otwór (57) z dolną chłodzoną częścią cylindryczną (52) korpusu (53) silnika pneumatycznego (54). Część cylindryczna (52) korpusu (53) silnika pneumatycznego (54) posiada wewnętrzną przegrodę (58), dzielącą ten korpus na dwie komory (59 i 60), przy czym korpus (53) komory (60) połączony jest sztywno z łącznikiem tarczowym (40) cylindra (35), a w jej górnej części umieszczone są dwa zawory zwrotne (61) prostownika pneumatycznego (50) zamontowane w obwodzie ciepłego kanału powietrznego (49), zaś w jej dolnej części umieszczone są dwa zawory zwrotne (62) tego prostownika zamontowane w obwodzie zimnego kanału powietrznego (56), przy czym zawory zwrotne (61 i 62) tego prostownika stanowią układ podobny do układu elektrycznego mostka Graetza. Mostek zaworowy prostownika pneumatycznego (50) pozwala na zmianę dwukierunkowego-przemiennego przepływu ciśnienia gazu na jego wejściu w jednokierunkowy przepływ tego gazu na jego wyjściu. Poza tym w komorze (60) korpusu (53) osadzony jest na wale (37) wirnik (85) silnika pneumatycznego (54), którego korpus (53) jak już wspomniano połączony jest trwale z cylindrem (35), a wał (37) ułożyskowany jest w łożyskach (63) osadzonych w łącznikach tarczowych (40, 41, 42) cylindrów (35 i 36) oraz w korpusie (53) tego silnika. Z kolei osadzone na wspólnym wale (37) profilowe wyporniki (43 i 44) spełniające funkcje mieszadeł, jak pokazano na rysunkach fig. 17 oraz na fig.23 i 24 w przekrojach pionowych wzdłuż linii F-F i G-G na fig. 23, mają identyczne kształty utworzone z części półkolistych (26), zakończonych częściami o profilu trójkątów rozwartokątnych (27), których wierzchołki zakończone są osiowo usytuowanymi elementami złożonymi z części prostokątnych (28), których górne końce przechodzą w części półkoliste (29), a utworzone pomiędzy nimi i wewnętrznymi powierzchniami cylindrów (35 i 36) profilowe komory (64 i 65) wypełnione są gazem roboczym doprowadzanym po jego ogrzaniu lub ochłodzeniu poprzez kanały (49 i 56) za pomocą zaworów (61 i 62) prostownika pneumatycznego (50) do odpowiednich części cylindra korpusu (52) silnika pneumatycznego (54). W dalszych przykładach wykonania tego dwucylindrowego silnika Stirlinga jego wyporniki (43 i 44) jak pokazano na rysunku fig. 41 w przekroju pionowym wzdłuż linii F-F i G-G pokazanym na fig. 21 mają również identyczny kształt utworzony z części półkolistej (66) przechodzącej poprzez promień wypukły (67) i wklęsły (68) w kolejną część półkolistą (69), z której w osi symetrii wystaje element prostokątny (70) zakończony w górnej części elementem (71) w kształcie czaszy kulistej wklęsłej, przy czym wyporniki te umieszczone są w owalnych cylindrach. Z kolei jak pokazano na rysunkach fig. 42-44 w przekroju pionowym wzdłuż linii F-F i G-G pokazanym na fig. 21, cylindry (72) tego silnika mają kształt owalny z górnymi trzema wybraniami (73) prostokątnymi, spełniającymi funkcję radiatorów i dolnym wybraniem (74) o profilu wycinka pierścienia, w których na wale (37) osadzone są wyporniki (75), mające w przekroju pionowym kształt półkolisty (76), zakończony trójkątem rozwartokątnym (77), z którego wierzchołka wystaje element prostokątny (78) zakończony elementem (79) w kształcie czaszy kulistej wklęsłej, względnie w cylindrach (80) o profilu prostokąta z półkolistymi dwoma jego bokami (81) (spłaszczonego owalu) na wale (37) osadzone są wyporniki (75) o kształcie wyżej opisanym, lub też cylindry (82) mają w przekroju poprzecznym kształt prostokątny z zaokrąglonymi jego bokami (83) posiadającymi usytuowane naprzeciw siebie wybrania prostokątne (84), w których na wspólnym wale (37) osadzone są wyporniki (75) również o kształcie wyżej opisanym. W opisanych przykładach wykonania do wprowadzenia w ruch obrotowy wału (37) i rozruchu silnika zastosowano rozrusznik mechaniczny (11), lub pneumatyczny lub elektryczny wykorzystujący dostarczaną z zewnątrz energię.
PL 219 116 B1 7 Zasada działania silnika Stirlinga według opisanego wyżej przykładu jego wykonania polega na tym, że po uprzednim uruchomieniu nagrzewnicy (48) oraz chłodnicy (55) i uzyskaniu odpowiedniej różnicy temperatur pomiędzy odizolowanymi termicznie cylindrami (35 i 36) oraz w komorach tego silnika wypełnionych gazem na przykład powietrzem, włącza się rozrusznik pneumatyczny (11) i wprowadza w ruch obrotowy wał (37) wraz z osadzonymi na nim profilowymi wypornikami (43 i 44) i wirnika (85) silnika pneumatycznego (54). W pozycji wyjściowej profilowe wyporniki (43 i 44) obu hermetycznych cylindrów (35 i 36) osadzone na wale (37) znajdują się pomiędzy częściami ciepłymi i zimnymi każdego z tych cylindrów, a ich obrót o 90 powoduje, że bryła pierwszego profilowego wypornika (43) przetłacza gaz roboczy do części zimnej tego cylindra, natomiast w drugim cylindrze ruch profilowego wypornika (44) przetłacza gaz roboczy do części gorącej tego cylindra. Wówczas w pierwszym hermetycznym cylindrze (35) gaz roboczy podlega schłodzeniu, zaś w drugim hermetycznym cylindrze (36) gaz ten podlega odpowiednio ogrzaniu, a wytwarzana różnica ciśnień gazu roboczego występująca pomiędzy obu tymi cylindrami podawana jest poprzez prostownik pneumatyczny (50) na odpowiedni wejściowy otwór (51) i wyjściowy otwór (57) pneumatycznego silnika (54), osadzonego na wspólnym wale (37). Powstała różnica ciśnień gazu roboczego oddziaływuje wówczas na ten silnik pneumatyczny, powodując wystąpienie na końcu (38) wspólnego wału (37) momentu obrotowego, powodującego obrót tego wału wraz z osadzonymi także na nim profilowymi wypornikami (43 i 44). W czasie obrotu tego wału o 180 bryły tych profilowych wyporników spełniających także funkcje mieszalników dokonują obrotu o 180 przetłaczając odpowiednio gaz roboczy z części zimnej do części gorącej, w pierwszym hermetycznym cylindrze (35) i z części gorącej do części zimnej w drugim hermetycznym cylindrze (36). Wówczas w pierwszym hermetycznym cylindrze (35) następuje zmiana ciśnienia gazu roboczego z niskiego na wysokie i analogicznie następuje zmiana ciśnienia gazu z wysokiego na niskie w drugim hermetycznym cylindrze (36). Zmniejszająca się w czasie przemienna różnica tych ciśnień pomiędzy objętościami obu hermetycznych cylindrów (35 i 36) jest podawana na prostownik pneumatyczny (50), którego wyjście poprzez zawory zwrotne (61 i 62) zasila silnik pneumatyczny (54) powodując powstanie momentu obrotowego. Zamiana naprzemiennego przepływu ciśnienia gazu roboczego na jednostajny przepływ, konieczny do napędzania turbiny pneumatycznego silnika (54) jest dokonywana w prostowniku pneumatycznym (50). Masy mimośrodowo osadzonych na wale (37) profilowych wyporników (43 i 44) stanowią klasyczny regenerator Stirlinga, pozwalający na dodatkowe odzyskiwanie i przekazywanie energii pochodzącej z części gorącej do części zimnej każdego cylindra poprzez jej dodatkową wymianę za pośrednictwem odpowiedniego wypornika. Również i w tym przypadku istnieje możliwość wykonania beztłokowego rotacyjnego silnika Stirlinga z zastosowaniem cylindrów nie połączonych wspólnym wałem. Wówczas należy ustawić te cylindry jeden za drugim (szeregowo) lub obok siebie (równolegle) oraz tworzyć sprzężenie mechaniczne pomiędzy nimi za pomocą układów magnesów, zębatek lub pasów zębatych. Taki sposób łączenia na jednym wale szeregowo lub równolegle wielu takich modułów poprzez ich sprzężenie mechaniczne lub magnetyczne umożliwia budowanie dowolnie dużych płaskich paneli wytwarzających energię mechaniczną lub elektryczną za pomocą odpowiednich prądnic. Zastrzeżenia patentowe 1. Beztłokowy rotacyjny silnik Stirlinga posiadający cylindry z gazem roboczym i umieszczonymi w nich elementami wykonującymi ruchy robocze sprężające i rozprężające ten gaz, przy czym cylindry te połączone są z nagrzewnicą ogrzewającą znajdujący się w nich gaz oraz chłodnicą chłodzącą ten gaz, znamienny tym, że składa się z co najmniej jednego hermetycznego dwuczęściowego cylindra (1) i umieszczonego w nim obrotowo ciasno pasowanego wału (2), lub korzystnie silnik ten składa się z dwóch dwuczęściowych hermetycznych cylindrów (35 i 36) połączonych sztywno ze sobą z umieszczonymi w nich luźno pasowanymi profilowymi wypornikami (43 i 44) osadzonymi na wspólnym wale (37), przy czym na wystającym końcu (5) osi wału (2) oraz na wystającym końcu wału (37) osadzony jest rozrusznik (11) oraz wirnik silnika pneumatycznego (8), lub (54), którego korpus (7) lub (53) połączony jest sztywno z czołem cylindra (1) lub z czołem cylindra (35), a ponadto części cylindrów (1, 35 i 36) zawierające gaz roboczy ogrzewany przez nagrzewnicę (15) lub (48) połączone są poprzez kanały powietrzne (16) lub (49) z częścią cylindryczną (10) lub (52) silnika pneumatycznego (8) lub (54), natomiast części cylindrów (1, 35 i 36) zawierające gaz roboczy ochładzany przez chłodnicę (19) lub
8 PL 219 116 B1 (55) połączone są poprzez kanały powietrzne (18) lub (56) również z częścią cylindryczną (10) lub (52) tego silnika. 2. Beztłokowy silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że cylindry (1, 35 i 36) składają się z dwóch identycznych części, ogrzewanych (12) i chłodzonych (13) lub ogrzewanych (45) i chłodzonych (46) oddzielonych od siebie izolacją termiczną (14 lub 47). 3. Beztłokowy silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że w obwodzie kanałów powietrznych (49 i 56) znajduje się prostownik pneumatyczny (50) zawierający cztery zawory zwrotne (61 i 62) tworzące korzystnie układ podobny do układu elektrycznego mostka Graetza. 4. Beztłokowy silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że jako silnik pneumatyczny (8) lub (54) stosuje się korzystnie silnik turbinowy, lub silnik pneumatyczny typu Tesli. 5. Beztłokowy silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że do rozruchu silnika pneumatycznego (8) lub (54) stosuje się korzystnie rozrusznik elektryczny (11). 6. Beztłokowy silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że jego wał (2) posiada wykonane co najmniej dwa usytuowane podłużnie i naprzeciw siebie oraz współosiowo wybrania (21) korzystnie o profilu soczewki dwuwypukłej. 7. Beztłokowy silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że jego wał (2) w przekroju pionowym ma kształt utworzony z elementu półkolistego (26) zakończonego częścią o profilu trójkąta rozwartokątnego (27) z zaokrąglonym jego wierzchołkiem. 8. Beztłokowy silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że w dwuczęściowym okrągłym cylindrze (1) oraz w hermetycznych cylindrach (35 i 36) umieszczony jest wypornik, mający w przekroju pionowym kształt utworzony z elementu półkolistego (26) zakończonego częścią o profilu trójkąta rozwartokątnego (27), którego wierzchołek zakończony jest osiowo usytuowanym elementem złożonym z części prostokątnej (28) przechodzącej w część półkolistą (29). 9. Beztłokowy silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że posiada dwuczęściowy cylinder (30) o kształcie owalu, a umieszczony w nim wał (2) w przekroju pionowym ma kształt elementu półkolistego (26) zakończonego częścią o profilu trójkąta rozwartokątnego (27), którego wierzchołek zakończony jest osiowo usytuowanym elementem złożonym z części prostokątnej (28) przechodzącej w część półkolistą (29). 10. Beztłokowy silnik według zastrz. 1 albo 9, znamienny tym, że jego dwuczęściowy cylinder (1) lub cylindry (31 i 72) mają w przekroju pionowym kształt owalu, posiadającego na wewnętrznej powierzchni ich części ogrzewanej (12) oraz (45) wybrania prostokątne (32) tworzące żebra spełniające funkcje radiatorów, a naprzeciw nich w ich częściach chłodzonych (13) oraz (46) posiadają wyjęcie (33) w kształcie wycinka pierścienia. 11. Beztłokowy silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że w jego dwuczęściowych okrągłych cylindrach (1) lub (35 i 36) umieszczony jest profilowy wypornik (43) lub wyporniki (44) mające w przekroju pionowym kształt utworzony z części półkolistej (66) przechodzącej poprzez promień wypukły (67) w promień wklęsły (68), w kolejną część półkolistą (69), z której w osi symetrii wystaje element prostokątny (70), zakończony elementem (71) o profilu czaszy kulistej wklęsłej. 12. Beztłokowy silnik według zastrz. 1 albo 10, znamienny tym, że w jego dwuczęściowych okrągłych cylindrach (1) lub (31 i 72) posiadających na swej wewnętrznej powierzchni kilka wybrań prostokątnych (32) tworzących żebra spełniające funkcje radiatorów oraz naprzeciw nich wyjęcie (33) w kształcie wycinka pierścienia umieszczony jest wypornik lub wyporniki (75), mające w przekroju pionowym kształt utworzony z części półkolistej (76) przechodzącej w część w kształcicie trójkąta rozwartokątnego (77), z którego wierzchołka wystaje element prostokątny (78) zakończony elementem (79) w kształcie czaszy kulistej wklęsłej. 13. Beztłokowy silnik według zastrz. 1 albo 9 albo 12, znamienny tym, że jego dwuczęściowe cylindry (1) lub (35 i 36) lub (31 i 72) mają kształt spłaszczonego owalu, w którym umieszczony jest wypornik lub wyporniki (75), mające w przekroju pionowym kształt utworzony z części półkolistej (76) przechodzącej w część w kształcie trójkąta rozwartokątnego (77), z którego wierzchołka wystaje element prostokątny (78) zakończony elementem (79) w kształcie czaszy kulistej wklęsłej.
Wykaz oznaczeń: 1 - cylinder 2 - wał 3 - łącznik tarczowy 4 - łącznik tarczowy 5 - koniec wału 6 - koniec wału 7 - korpus silnika pneumatycznego 8 - silnik pneumatyczny łopatkowy 9 - wirnik silnika pneumatycznego 10 - część cylindryczna silnika 11 - rozrusznik pneumatyczny 12 - część ogrzewana 13 - część chłodzona 14 - izolacja termiczna 15 - nagrzewnica 16 - kanał powietrzny 17 - otwór 18 - kanał powietrzny 19 - chłodnica 20 - otwór 21 - wybrania w wale 22 - komora gazowa 23 - komora gazowa 24 - gaz roboczy ogrzewany 25 - gaz roboczy chłodzący 26 - element półkolisty 27 - profil trójkąta rozwartokątnego 28 - część prostokątna 29 - część półkolista 30 - cylinder 31 - cylinder 32 - wybrania prostokątne (radiatory) 33 - wyjęcia w kształcie wycinka pierścienia 34 - kształt wycinka pierścienia 35 - hermetyczny cylinder 36 - hermetyczny cylinder 37 - wspólny wał 38 - koniec wspólnego wału 39 - koniec wspólnego wału 40 - łącznik tarczowy 41 - łącznik tarczowy 42 - łącznik tarczowy 43 - profilowy wypornik 44 - profilowy wypornik 45 - część ogrzewana cylindra 46 - część chłodzona cylindra 47 - izolacja termiczna 48 - nagrzewnica 49 - ciepły kanał powietrzny 50 - prostownik pneumatyczny 51 - otwór 52 - ogrzewana część cylindryczna korpusu 53 - korpus silnika pneumatycznego 54 - silnik pneumatyczny, łopatkowy 55 - chłodnica PL 219 116 B1 9
10 PL 219 116 B1 56 - zimny kanał powietrzny 57 - otwór 58 - przegroda 59 - komora gazowa 60 - komora gazowa 61 - zawór zwrotny 62 - zawór zwrotny 63 - łożyska 64 - profilowa komora 65 - profilowa komora 66 - część półkolista 67 - promień wypukły 68 - promień wklęsły 69 - część półkolista 70 - element prostokątny 71 - element w kształcie czaszy kulistej wklęsłej 72 - cylindry 73 - górne wybrania prostokątne 74 - dolne wybrania o profilu wycinka pierścienia 75 - wyporniki 76 - kształt półkolisty 77 - zakończenie trójkątem rozwartokątnym 78 - element prostokątny 79 - element w kształcie czaszy kulistej wklęsłej 80 - cylindry 81 - boki cylindrów 82 - cylindry 83 - zaokrąglone boki cylindra 84 - wybrania prostokątne 85 - wirnik silnika pneumatycznego, łopatkowego
PL 219 116 B1 11 Rysunki
12 PL 219 116 B1
PL 219 116 B1 13
14 PL 219 116 B1
PL 219 116 B1 15
16 PL 219 116 B1
PL 219 116 B1 17
18 PL 219 116 B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 4,92 zł (w tym 23% VAT)