ES2886454T3

ES2886454T3 - Motores térmicos de ciclo cerrado regenerativo

Info

Publication number: ES2886454T3
Application number: ES17732992T
Authority: ES
Inventors: Michael James Dann
Original assignee: Stirling Works Global Ltd
Current assignee: Stirling Works Global Ltd
Priority date: 2016-05-25
Filing date: 2017-05-25
Publication date: 2021-12-20
Anticipated expiration: 2037-05-25
Also published as: GB201609258D0; WO2017203273A3; EP3464863B1; WO2017203273A2; EP3464863A2; US20200088131A1; US10890138B2

Abstract

Un motor térmico de ciclo cerrado regenerativo que contenga: un alojamiento (12; 112; 212) delimitando una cámara (14); un desplazador deformable elásticamente (18; 118; 218) alojado en dicha cámara; un eje (24; 124; 224) conectado con dicho desplazador deformable elásticamente; y un miembro móvil (30; 130; 230) alojado en dicha cámara, en el cual dicho desplazador deformable elásticamente (18; 118; 218) está sujeto a dicho alojamiento (12; 112; 212) y es deformable elásticamente en respuesta al movimiento de dicho eje (24; 124; 224) para desplazar un fluido de trabajo entre las respectivas zonas de calentamiento y refrigeración en dicha cámara en la que el calor es aportado a dicho fluido de trabajo y dicho fluido de trabajo es enfriado, y dicho miembro móvil (30; 130; 230) es móvil en respuesta a los cambios de presión de dicho fluido de trabajo causados por dichos calentamiento y refrigeración de dicho fluido de trabajo para aportar una potencia mecánica, caracterizado porque dicho desplazador deformable elásticamente (18; 118; 218) contiene una banda elástica que tiene un primer extremo conectado con dicho eje (24; 124; 224), un segundo extremo conectado con dicho alojamiento (12; 112; 212) y se enrolla sobre dicho eje.

Description

DESCRIPCIÓN

Motores térmicos de ciclo cerrado regenerativo

Campo técnico de la invención

[0001] La presente invención está relacionada con los motores térmicos de ciclo cerrado regenerativo.

Estado de la técnica

[0002] Un motor térmico de ciclo cerrado regenerativo es un motor de combustión externa que opera mediante ciclos de calentamiento y refrigeración de un fluido de trabajo gaseoso. Estos motores incluyen un intercambiador de calor conocido como regenerador, el cual está situado para tomar calor del fluido de trabajo mientras el fluido de trabajo se mueve a una parte fría del motor, y devuelve el calor al fluido de trabajo cuando retorna de la parte fría del motor hacia una parte caliente del motor en la cual el calor es aplicado al fluido de trabajo desde una fuente externa. Estos motores son habitualmente llamados motores Stirling.

[0003] JPH055479A muestra aquello de lo que consta un motor térmico de ciclo cerrado regenerativo: un alojamiento delimitando una cámara; un desplazador deformable elásticamente alojado en dicha cámara; un eje conectado con dicho desplazador deformable elásticamente; y un miembro móvil alojado en dicha cámara. El desplazador deformable elásticamente es un diafragma sujeto a dicho alojamiento y es deformable elásticamente en respuesta al movimiento de dicho eje para desplazar el fluido de trabajo entre las respectivas zonas de calentamiento y refrigeración en dicha cámara en la cual el calor es aplicado a dicho fluido de trabajo y dicho fluido de trabajo es enfriado. El miembro móvil es un diafragma en el sellado de la sujeción con dicho alojamiento y móvil en respuesta a los cambios de presión de dicho fluido de trabajo para proveer una potencia mecánica. Un conducto de derivación externo al alojamiento es provisto para que el fluido se pueda mover entre las zonas de calentamiento y refrigeración en respuesta al movimiento del diafragma del desplazador.

Resumen de la invención

[0004] La invención proporciona un motor térmico de ciclo cerrado regenerativo tal y como se especifica en la reivindicación 1.

[0005] En la siguiente información, se hará referencia a los dibujos en los cuales:

Figura 1 es una vista lateral de un ejemplo de motor térmico de ciclo cerrado regenerativo;

Figura 2 es una vista frontal del motor térmico de ciclo cerrado regenerativo de la Figura 1;

Figura 3 es una vista de sección en la línea MI-MI en Figura 1;

Figuras 4 a 9 son vistas correspondientes a la Figura 3 mostrando un ciclo del motor térmico de ciclo cerrado regenerativo;

Figura 10 es una vista de sección de otro ejemplo de motor térmico de ciclo cerrado regenerativo;

Figura 11 es una vista ampliada de una parte de la Figura 10;

Figura 12 es una vista de sección de otro ejemplo de motor térmico de ciclo cerrado regenerativo; y Figura 13 es una vista ampliada de una parte de la Figura 12.

Descripción Detallada de los Ejemplos Ilustrados

[0006] Respecto a las Figuras 1 a 3, un motor térmico de ciclo cerrado regenerativo 10 comprende un alojamiento 12 delimitando una cámara 14 que tiene un eje longitudinal 16. El motor 10 además incluye un desplazador 18 para desplazar un fluido de trabajo gaseoso en la cámara 14 entre las respectivas zonas de calentamiento y refrigeración en dicha cámara en la que el calor es aplicado al fluido de trabajo y el fluido de trabajo es enfriado. El desplazador 18 está sujeto al alojamiento 12 y a un eje 24 que se extiende a lo largo de la cámara 14. El desplazador 18 es deformable elásticamente. La deformación del desplazador 18 en respuesta al movimiento del eje 24 hace que éste se mueva entre las zonas de calentamiento y refrigeración para desplazar el fluido de trabajo.

[0007] Refiriéndonos en concreto a la Figura 3, la cámara 14 está configurada para definir un compartimento de desplazador 26 que aloja el desplazador 18 y compartimento de pistón 28 que aloja un pistón de potencia 30. En el ejemplo ilustrado los compartimentos del desplazador y el pistón 26, 28 están delimitados por los respectivos extremos de la cámara 14. El desplazador 18 y el pistón de potencia 30 son ambos móviles en la dirección axial de la cámara 14.

Los compartimentos del desplazador y pistón 26, 28 están comunicados de manera que el fluido de trabajo en la cámara 14 puede fluir entre ambos compartimentos.

[0008] El alojamiento 12 abarca una primera porción de alojamiento 32, una segunda porción de alojamiento 34 y una porción con aislamiento térmico 36 situada entre la primera y la segunda porción del alojamiento. La primera porción de alojamiento 32 está dispuesta para recibir calor Qentrada de una fuente de calor 40 y puede ser provista con aletas u otro potenciador de área superficial para facilitar la transferencia térmica entre el fluido de trabajo relativamente frío en la cámara 14 y la fuente de calor. La fuente de calor 40 puede, por ejemplo, comprender uno o más paneles solares que calienta un fluido como agua. La primera porción del alojamiento puede, por ejemplo, ser al menos parcialmente rodeada por un cuerpo o ensamblaje definiendo una camisa de refrigeración suministrada por agua caliente usada para calentar la primera porción de alojamiento 32. Por lo menos una parte de la segunda porción de alojamiento 34 está dispuesta para disipar calor Qsalida del fluido de trabajo en la cámara 14 hacia una zona fría externa 41. La segunda porción de alojamiento 34 puede ser provista mediante aletas u otro potenciador de área superficial para facilitar la transferencia térmica desde el fluido de trabajo relativamente más caliente a la zona fría externa 41. La zona fría externa 41 puede tomar cualquier forma capaz de recibir calor desde la segunda porción de alojamiento 34 para enfriar el fluido de trabajo en la cámara 14 y puede, por ejemplo, ser aire ambiente o una camisa de refrigeración.

[0009] El compartimento de desplazador 26 de la cámara 14 puede variar en diámetro a lo largo de al menos partes de su longitud. En el ejemplo ilustrado el compartimento de desplazador 26 tiene dos porciones frusto-cónicas directamente opuestas 26-1,26-2, delimitadas respectivamente por la primera y la segunda porción del alojamiento 32, 34, y una porción de sección circular separando las dos porciones frusto-cónicas. La porción de sección circular puede ser delimitada por la porción con aislamiento térmico 36 del alojamiento 12. El desplazador 18 está sujeto al alojamiento 12 en, por ejemplo, la porción con aislamiento térmico 36 y es desplazable por deformación en ambas porciones frusto-cónicas 26-1,26-2 del compartimento de desplazador 26. Dado que la porción frusto-cónica 26-1 está delimitada por la primera porción del alojamiento 32 (el cual recibe calor Qentrada de la fuente de calor 40) y la porción frusto-cónica 26-2 está delimitada por la segunda porción del alojamiento 34 (el cual disipa calor Qsalida a la zona fría externa 41) y están separadas por la porción con aislamiento térmico 36, existirá un gradiente de temperatura entre ellas. En consecuencia, como referencia, en la siguiente descripción la porción frusto-cónica 26-1 será referida como el extremo caliente de la cámara del desplazador y la porción frusto-cónica 26-2 será referida como el extremo frío del compartimento de desplazador. Se entiende que los términos “calor” y “frío” son usados en un sentido relativo para indicar que, en la práctica, h ay una diferencia de temperatura entre los dos extremos del compartimento de desplazador 26 de manera que el extremo caliente 26-1 es una zona en la cámara 14 en la cual el fluido de trabajo es calentado y el extremo frío 26-2 es una zona en la cámara en la cual el fluido de trabajo es enfriado y, por todo ello, estos términos no deben interpretarse de una manera restrictiva como para limitar el alcance de la invención delimitada en las reivindicaciones.

[0010] El compartimento de pistón 28 de la cámara 14 tiene un diámetro constante y está en comunicación fluida con el compartimento de desplazador 26, por ejemplo, a través de una abertura 42 dispuesta junto al extremo estrecho del extremo frío frusto-cónico 26-2 del compartimento de desplazador. La abertura 42 puede ser delimitada por la segunda porción del alojamiento 34. El eje 24 se extiende desde el compartimento de desplazador 26 hacia dentro del compartimento de pistón 28 a través de la abertura 42. El eje 24 pasa a través de un paso de tránsito de prolongación axial provisto en el pistón de potencia 30 y fuera del compartimento de pistón 28. El extremo del eje 24 dispuesto alejado del desplazador 18 y fuera de la cámara 14 está conectado con un volante 46. El eje 24 puede estar conectado con el volante 46 por un eje conector, o , 48. La conexión al volante 46 permite al desplazador 18 la recepción de energía mecánica almacenada del volante para hacer que el desplazador se deforme para mover el fluido de trabajo entre los extremos de calor y frío 26-1, 26-2 del compartimento de desplazador 26. El pistón 30 está conectado con el volante 46 mediante un eje del pistón, o enlace, 50. Los ejes 24, 50 están conectados con el volante 46 de forma que están desfasados 90°.

[0011] El desplazador 18 comprende un resorte de voluta, el cual en el ejemplo ilustrado comprende una banda elástica teniendo un primer extremo conectado con el eje 24 y un segundo extremo conectado con el alojamiento 12. La banda elástica da vueltas al eje 24 para formar una bobina teniendo un eje generalmente coincidente con el eje longitudinal 16 de la cámara 14. En el ejemplo ilustrado, el primer extremo de la banda elástica está unido fijamente con el eje 24 y el segundo extremo está unido fijamente con la porción aislada térmicamente 36 del alojamiento 12 de manera que el desplazador 18 está sujeto al alojamiento 12 y es forzado a deformarse cuando el eje 24 oscila en la cámara 14. Dado que el segundo extremo de la banda elástica está unido fijamente con el alojamiento 12 y el primer extremo se mueve con el eje 24 cuando el eje oscila en la cámara 14, el desplazador 18 puede variar de la condición mostrada en la Figura 3 a respectivamente las condiciones primera y segunda en las que al menos cubre sustancialmente los extremos de calor y frío frusto-cónicos 26-1, 26-2 del compartimento de desplazador 26. Ejemplos del desplazador 18 cubriendo al menos sustancialmente los respectivos extremos de calor y frío 26-1, 26-2 del compartimento de desplazador 26 pueden verse en las Figuras 5 y 8. Esta deformación del desplazador 18 causa que éste desplace el fluido de trabajo en el compartimento de desplazador 26 a moverlo entre los extremos de calor y frío 26-1,26-2 para llevar el fluido de trabajo a estar en contacto con las primera y segunda porciones del alojamiento 32, 34 para ser calentado y enfriado respectivamente.

[0012] El calentamiento del fluido de trabajo por contacto con la primera porción del alojamiento 32 causa que se expanda. La expansión del fluido de trabajo en el extremo caliente 26-1 controla al pistón de potencia 30 lejos del compartimento de desplazador 26 en su recorrido hacia fuera. El enfriamiento del fluido de trabajo en el extremo frío 26-2 por contacto con la segunda porción del alojamiento 34 cause que se contraiga, permitiendo al pistón de potencia 30 que se mueva de vuelta al compartimento de desplazador 26 de la cámara 14 en su recorrido de vuelta. El desplazamiento relativo del desplazador 18 y el movimiento del pistón de potencia 30 están ilustrados por las Figuras 4 a 9, las cuales muestran un ciclo completo del motor térmico de ciclo cerrado regenerativo 10.

[0013] Respecto a la Figura 4, la mayor parte del fluido de trabajo está en el extremo caliente 26-1 del compartimento de desplazador 26 y el pistón de potencia 30 está al menos sustancialmente al final de su recorrido de vuelta en la cual se sitúa cuanto más cerca está del compartimento de desplazador. El fluido de trabajo en el extremo caliente 26-1 recibe calor Qentrada de la fuente de calor 40. El calentamiento del fluido de trabajo causa que se expanda. El fluido de trabajo en expansión hace que el pistón de trabajo 30 se aleje del compartimento de desplazador 26-1 en su recorrido hacia fuera tal como lo indica la flecha 52 en la Figura 5. El movimiento traslativo hacia fuera del pistón de potencia 30 es transmitido al volante 46 por el eje 50 causando que el volante rote en sentido horario (como se ve en los dibujos). La Figura 6 muestra el pistón de potencia 30 cerca del final de su recorrido hacia fuera en la cual se sitúa cuanto más lejos esté del compartimento de desplazador 26. En esta etapa, el impulso del volante 46 provee energía mecánica al desplazador 18 para moverse del extremo frío 26-2 del compartimento de desplazador 26 al extremo caliente 26-1. Como se muestra en la Figura 7, mientras el desplazador 18 se mueve dentro del extremo caliente 26-1 del compartimento de desplazador, el fluido de trabajo es desplazado al extremo frío 26-2. El fluido de trabajo no pasa alrededor del desplazador 18 como lo haría en un motor Stirling convencional, sino que pasa entre las bobinas del desplazador, el cual delimita efectivamente al menos un paso de tránsito a través del cual el fluido de trabajo pasa mientras se mueve entre los extremos de calor y frío 26-1, 26-2 del compartimento de desplazador 26. Cuando en el extremo de frío 26-2, el fluido de trabajo disipa calor Qsalida hacia la zona fría externa a través de la segunda porción del alojamiento 34, el enfriamiento del fluido de trabajo en el extremo frío 26-2 causa que se contraiga de manera que el pistón de potencia 30 es atraído hacia el interior hacia el compartimento de desplazador 26 tal como se indica en la flecha 54 en las Figuras 8 y 9. La Figura 9 muestra el pistón de potencia aproximándose al final de su recorrido de vuelta y al desplazador 18 comenzando su movimiento desde el extremo caliente 26-1 hacia el extremo frío 26-2 para volver a la posición mostrada en la Figura 4. La energía mecánica para mover al desplazador desde el extremo caliente 26-1 al extremo frío 26-2 es provista por el volante 46. Mientras el desplazador 18 se mueve hacia el extremo frío 26-2, el fluido de trabajo es de nuevo desplazado al extremo caliente 26 1 y el ciclo descrito anteriormente se repite. De este modo, el desplazador 18 oscila en el compartimento de desplazador 26 para mover el fluido de trabajo entre los extremos de calor y frío 26-1, 26-2 y el pistón de potencia 30 oscila en el compartimento de pistón 28 en respuesta a la presión cambiante del fluido de trabajo durante el calentamiento y enfriamiento de éste para proveer una potencia mecánica de salida. Aunque no sea imprescindible, en este ejemplo la potencia mecánica de salida del motor térmico de ciclo cerrado regenerativo 10 es entregado al volante 46. En otros ejemplos la potencia mecánica de salida puede ser entregada a un cigüeñal o a un generador eléctrico.

[0014] Las Figuras 10 y 11 muestran otro ejemplo de un motor térmico de ciclo cerrado regenerativo 110. Los componentes del motor térmico de ciclo cerrado regenerativo 110 que son iguales o similares a componentes del motor térmico de ciclo cerrado regenerativo 10 están indicados mediante los mismos números de referencia incrementados en 100 y pueden no ser descritos en detalle de nuevo.

[0015] El motor térmico de ciclo cerrado regenerativo 110 consta de un alojamiento 112 delimitando una cámara que tiene un compartimento de desplazador 126 y un compartimento de pistón 128. Un desplazador deformable elásticamente 118 está albergado en el compartimento de desplazador 126. Un pistón de potencia 130 está albergado para movimiento oscilante en el compartimento de pistón 128. El compartimento de pistón 128 está en comunicación fluida con el compartimento de desplazador 126 de manera que el fluido de trabajo calentado en el compartimento de desplazador puede actuar en el pistón de potencia 130. Como en el ejemplo anterior, el compartimento de desplazador 126 varía en diámetro a lo largo de su longitud. En concreto, el extremo caliente 126-1 aumenta el diámetro a lo largo de la porción aislada térmicamente 136 y el extremo frío 126-2 decrece en diámetro desde la porción aislada térmicamente hacia el compartimento del pistón 128. En este ejemplo, el compartimento de pistón 128 es delimitado por una porción aislada térmicamente 136 del alojamiento 112 que está colocado entre una primera porción del alojamiento 132 en la cual el calor Qentrada es introducido a la cámara para calentar el fluido de trabajo y una segunda porción del alojamiento 134 en la que el calor Qsalida es disipada desde la cámara para enfriar el fluido de trabajo.

[0016] Tal y como se aprecia mejor en la Figura 11, las primera y segunda porciones 132, 134 pueden estar provistas con salientes 127-1, 127-2 extendiéndose dentro del compartimento de desplazador 126 en los extremos de calor y frío 126 1, 126-2 del compartimento. Los salientes 127-1, 127-2 pueden definir respectivos conductos complejos 129-1, 129-2 en los que el desplazador 118 se mueve oscilando entre los extremos de calor y frío 126-1, 126-2 del compartimento de desplazador 126. Los salientes 127-1, 127-2 pueden contener paredes helicoidales. Los salientes 127-1, 127-2 pueden ser configurados como los respectivos conductos 129-1, 129-2 son al menos sustancialmente cubiertos cuando el desplazador 118 se encuentra en los respectivos extremos del compartimento de desplazador 126 de manera que el desplazador 118 es capaz de cubrir los extremos de calor y frío 126-1, 126-2. Los salientes 127-1, 127-2 pueden ser partes integrales de las primera y segunda porción del alojamiento 132, 134 o separar componentes o montajes instalados en las respectivas porciones del alojamiento. Los salientes 127-1, 127-2 proveen área superficial adicional para la transferencia térmica en los extremos de calor y frío del compartimento de desplazador 126, lo que puede mejorar la eficiencia del proceso de transferencia térmica.

[0017] En relación a la Figura 11, los salientes 127-1, 127-2 pueden estar vacíos. Esto brinda la posibilidad de que fluya un fluido calentado, por ejemplo agua caliente, a través del saliente, o salientes, 127-1 en el extremo caliente 126-1 del compartimento de desplazador 126. Ofreciendo la opción de que los canales de caudal de fluido se extiendan hasta los salientes 127-1, 127-2 para permitir un calentamiento o enfriamiento del fluido respectivamente para fluir en el interior de los salientes, puede además mejorar la eficiencia del proceso de transferencia térmica.

[0018] En este ejemplo, el desplazador deformable elásticamente 118 se desplaza a lo largo de un primer eje 116 delimitado por el eje 124 que está conectado al desplazador deformable elásticamente y el pistón de potencia 130 se desplaza a lo largo de un segundo eje 156 delimitado por el compartimento de pistón 128 de la cámara. Los respectivos movimientos oscilantes del desplazador deformable elásticamente 118 y del pistón de potencia 130 son mutuamente perpendiculares tal y como se indica por las respectivas flechas 157, 158. Dado que los desplazamientos relativos del desplazador deformable elásticamente 118 y el pistón de potencia 130 están desfasados 90° el uno del otro, sus conexiones con el volante 146, o cigüeñal, están en fase y no desfasados 90° como en el motor térmico de ciclo cerrado regenerativo 10.

[0019] Referente a la Figura 10, el motor térmico de ciclo cerrado regenerativo 110 además contiene un ajustador de frecuencia 160 que está conectado con el desplazador deformable elásticamente 118. El ajustador de frecuencia 160 está configurado para actuar en el desplazador deformable elásticamente para ajustar, modificar o sintonizar la frecuencia propia del desplazador 118. El ajustador de frecuencia 160 contiene un balancín 162 montado en un pivote 164. El pivote 164 se apoya en un brazo 166 que puede estar sujeto al alojamiento 112. Un primer extremo 168 del balancín 162 está conectado centralmente a un extremo del eje 124 a través de un enlace 170 y un segundo extremo 172 del balancín está conectado centralmente a un extremo del enlace 174. El extremo opuesto del enlace 174 está conectado al volante 146 del cigüeñal conectado con el pistón de potencia. El balancín 162 soporta pesos situados de manera opuesta 176, 178. La posición de los pesos 176, 178 pueden ser cambiadas para ajustar la frecuencia propia del desplazador 118. El movimiento de los pesos 176, 178 de manera radial hacia adentro, hacia el pivote 164, aumenta la frecuencia propia del desplazador, mientras que el movimiento de los pesos radialmente hacia afuera, alejados del pivote 164, decrece su frecuencia propia. Esto permite que la frecuencia propia del desplazador 118 sea sintonizada para coincidir con la velocidad de marcha del motor.

[0020] La operativa del motor térmico de ciclo cerrado regenerativo 110 es análoga a la operativa del motor térmico de ciclo cerrado regenerativo 10 tal como se ilustra en las Figuras 4 a 9 y por tanto no será descrito en detalle otra vez. De forma similar al desplazador 18 del motor térmico de ciclo cerrado regenerativo 10, el desplazador 118 del motor térmico de ciclo cerrado regenerativo 110 cubre los extremos de calor y frío 126-1, 126-2 cuando alcanza los respectivos extremos de su movimiento oscilante entre los dos extremos.

[0021] En los ejemplos ilustrados el alojamiento delimita una cámara que tiene un compartimento de desplazador y un compartimento de pistón que respectivamente alojan un desplazador deformable elásticamente y un pistón de potencia. El compartimento de pistón es configurado para tener extremos opuestos que son dados forma para corresponder el perfil deformado del desplazador deformable elásticamente en cada extremo de su recorrido y los dos compartimentos están en comunicación fluida para permitir que el fluido de trabajo calentado en el compartimento de desplazador actúe en el pistón de potencia. En otros ejemplos, solo uno de los extremos de la cámara es dado forma para corresponder con el perfil deformado del desplazador deformable elásticamente y la corona del pistón de potencia puede ser provista con una degradación formada para recibir al desplazador deformable elásticamente en un extremo de su recorrido. En dichos ejemplos, no hay compartimentos de desplazador y de potencia delimitados claramente dado que la corona del pistón de potencia forma una pared de un teórico compartimento de desplazador.

[0022] El desplazador deformable elásticamente en los ejemplos ilustrados de un motor térmico de ciclo cerrado regenerativo actúa como un resorte de manera que el motor puede funcionar a frecuencia propia, minimizando de ese modo pérdidas de potencia debido al movimiento oscilante en el motor. El desplazador deformable elásticamente puede ser configurado de manera que tenga relativamente baja rigidez y así el sistema tenga una frecuencia propia relativamente baja. Esto permite trabajar a velocidades bajas del motor. Un motor que trabaja a velocidades bajas permite más tiempo para el calentamiento y refrigeración del fluido de trabajo, lo que puede permitir un mayor suministro de potencia.

[0023] Las bobinas del desplazador deformable elásticamente suministra una significativamente mayor área superficial que un pistón de desplazador sólido convencional permitiéndole recibir y almacenar cantidades considerables de calor mientras el fluido de trabajo relativamente caliente es desplazado al extremo frío de la cámara y devuelve ese calor al fluido de trabajo relativamente frío mientras es desplazado al extremo caliente de la cámara de forma que el desplazador puede trabajar como regenerador.

[0024] Las Figuras 12 y 13 muestran otro ejemplo de un motor térmico de ciclo cerrado regenerativo 210. Los componentes de un motor térmico de ciclo cerrado regenerativo 210 que son iguales o similares a los componentes del motor térmico de ciclo cerrado regenerativo 10 están indicados por los mismos números de referencia incrementados en 200 y pueden no ser descritos en detalle otra vez.

[0025] El motor térmico de ciclo cerrado regenerativo 210 contiene un alojamiento 212 delimitando una cámara que tiene un compartimento de desplazador 226 teniendo un extremo caliente 226-1 y un extremo frío 226-2 y un compartimento de diafragma 228. Un desplazador deformable elásticamente 218 está alojado en el compartimento de desplazador 226.

Un diafragma 230 está alojado para movimiento oscilante en el compartimento de diafragma 228. El compartimento de diafragma 228 está en comunicación fluida con el compartimento de desplazador 226 de manera que el fluido de trabajo calentado en el compartimento de desplazador 226 puede actuar en el diafragma 230.

[0026] En este ejemplo, no hay volante 46 y en cambio el eje 224 conectado al desplazador 218 está conectado con una pieza móvil 247 de un accionamiento eléctrico lineal 246, el cual en algunos ejemplos puede contener una bobina móvil. El accionamiento eléctrico lineal 246 está provisto con corriente eléctrica a través de un controlador 249 de manera que la corriente eléctrica hace que la pieza móvil 247 oscile. El controlador 249 puede controlar el suministro eléctrico de manera que la pieza móvil 247 pueda oscilar a, o cerca de, la frecuencia propia del desplazador 218. Así, la energía mecánica de entrada que provoca que el desplazador 218 se mueva entre los extremos caliente y frío 226-1, 226-2 del compartimento de desplazador 226 es provista por el accionamiento eléctrico lineal 246 y controlada de manera que el desplazador 218 oscila entre los extremos caliente y frío 226-1,226-2 al menos sustancialmente en su frecuencia propia.

[0027] En este ejemplo, el diafragma 230 es movido por cambios en la presión del fluido de trabajo para proporcionar la energía de salida del motor térmico de ciclo cerrado regenerativo 210. La energía de salida mecánica cuando el diafragma 230 se mueve en respuesta a la expansión del fluido de trabajo calentado sirve de entrada a una pieza móvil 280 de un generador eléctrico lineal 282, el cual en algunos ejemplos puede ser una bobina móvil. El diafragma 230 puede estar conectado a la pieza móvil 280 por un miembro de conexión alargado, o enlace, 231. El conector 231 puede contener un eje hueco que es sujetado a una región central del diafragma 230. El eje hueco puede recibir el extremo 225 (Figura 13) del eje 214 que está situado remotamente del motor eléctrico lineal 246. En la práctica, cuando el fluido de trabajo se expande y contrae mientras es sucesivamente calentado y enfriado, el diafragma 230 oscila causando movimiento oscilante lineal de la pieza móvil 280, la cual de vuelta causa que el generador eléctrico lineal 282 genere una corriente eléctrica que puede ser usada para encender equipos eléctricos o cargar una o más baterías.

[0028] Como puede apreciarse mejor en la Figura 13, el desplazador deformable elásticamente 218 puede ser una banda elástica alargada conteniendo una estructura compuesta, estructura laminada o ensamblaje, sujeto al alojamiento 212 entre soportes de diafragma anular 235. El desplazador 218 puede contener una primera bobina elástica 218-1, una segunda bobina elástica 218-2 dispuesta de manera opuesta y situada aparte de la primera bobina elástica y un miembro aislado térmicamente 218-3 situado de forma intermedia y separada de las primera y segunda bobinas elásticas. Las bobinas elásticas 218-1, 218-2 pueden estar hechas de un metal como aluminio, o de una aleación de aluminio. El miembro aislado térmicamente 218-3 debería ser capaz de resistir las temperaturas que se dan en el interior de la cámara de desplazador 218 y es preferiblemente un elastómero o polímero que es estable a relativamente altas temperaturas. El miembro aislado térmicamente 218-3 puede contener un caucho endurecido o polieteretercetona (PEEK). En la práctica, el uso de un miembro aislado térmicamente 218-3 entre las bobinas elásticas 218-1,218-2 puede mantener un gradiente de temperatura a lo largo del desplazador 218 que sea mayor que el que se pueda obtener con un pistón de desplazador monopieza convencional de manera que la temperatura de la bobina elástica 218-1 situada en el extremo caliente 226-1 ^{del compartimento de desplazador}226 ^{se encuentra al menos relativamente cercana a la temperatura del extremo caliente}226-1 mientras que la temperatura de la bobina elástica 228-2 situada en el extremo frío 226-2 del compartimento de desplazador 218 permanece al menos relativamente cerca de la temperatura del extremo frío 226-2. Esto puede provocar una transferencia térmica más eficiente para el fluido de trabajo en el extremo caliente 226-1 así como para cada ciclo del desplazador 218, la bobina elástica 218-1 debería absorber menos del calor Qentrada de entrada en la primera porción del alojamiento 232. De forma similar, la transferencia térmica desde el fluido de trabajo en el extremo frío 226-2 puede mejorarse mientras que la bobina elástica 218-2 puede permanecer relativamente más fría que un pistón de desplazador monopieza operando en condiciones de trabajo similares.

[0029] Como en el anterior ejemplo, el compartimento de desplazador 226 varía en diámetro a lo largo de su longitud. En concreto, el extremo caliente 226-1 aumenta el diámetro hacia la porción aislada térmicamente 236 y el extremo frío 226 2 decrece en diámetro desde la porción aislada térmicamente hacia el compartimento de diafragma 228. Como mejor se puede apreciar en la Figura 13, las primera y segunda porciones del alojamiento 232, 234 pueden estar provistas de salientes 227-1, 227-2 extendiéndose hacia el interior del compartimento de desplazador 226 en los extremos caliente y frío 226-1, 226-2 del compartimento. Los salientes 227-1, 227-2 pueden definir conductos complejos 229-1, 229-2 en los que el desplazador 218 se mueve mientras oscila entre los extremos caliente y frío 226-1, 226-2 del compartimento de desplazador 226. Los salientes 227-1, 227-2 pueden contener paredes helicoidales. La bobina elástica 218-1 puede al menos cubrir sustancialmente el conducto 219-1 cuando el desplazador se encuentra en el extremo caliente 226-1 del compartimento de desplazador y la bobina elástica 218-2 puede al menos cubrir sustancialmente el conducto 219-2 cuando el desplazador está en el extremo frío 226-2. Los salientes 227-1, 227-2 proveen áreas superficiales adicionales para la transferencia térmica en los extremos caliente y frío 226-1, 226-2 del compartimento de desplazador 226, el cual puede mejorar la eficiencia de los respectivos procesos de transferencia térmica. Aunque no se muestran en el ejemplo ilustrado, el o cada saliente 227-1 o el o cada saliente 227-2 puede ser vacío para permitir la alimentación de un fluido de calentamiento o refrigeración a través de los salientes tal y como se ha descrito anteriormente en relación con la Figura 11.

[0030] Las bobinas elásticas 218-1, 218-2 delimitan respectivamente canales helicoidales 221-1, 221-2 que están conectados con un canal helicoidal 223 provisto en el miembro de aislamiento térmico 236. Los canales helicoidales 221 -1, 221-2, 221-3 delimitan un conducto de paso en el desplazador 218 que permite al fluido de trabajo pasar a través del desplazador para moverse entre los extremos caliente y frío 226-1,226-2 del compartimento de desplazador 226 mientras el desplazador se mueve entre los extremos caliente y frío. Los canales helicoidales 221-1,221-2 pueden ser configurados para coincidir con los salientes 227-1,227-2.

[0031] En algunos ejemplos, puede ser conveniente presurizar el compartimento de desplazador antes del activamiento del motor térmico de ciclo cerrado regenerativo de manera que la presión inicial sea superior a la atmosférica. Por ejemplo, el compartimento de desplazador puede estar presurizado a 2 atmósferas (aproximadamente 200kPa). En ejemplos en los que el compartimento de desplazador es pre-presurizado, es deseable asegurarse que la presión en ambos lados del pistón, o diafragma, esté equilibrada. Las Figuras 12 y 13 muestran un sistema de presurización configurado para permitir pre-presurización del compartimento de desplazador 226. En relación a la Figura 12, una válvula 286 es provista en una pared 288 del alojamiento 212 que parcialmente delimita el compartimento de diafragma 228. La válvula 286 puede ser una válvula de un sentido o, por ejemplo, una válvula de Schrader. En relación a la Figura 13, uno o más conductos de derivación 290 pueden ser provistos para desviar el diafragma 230 y permitir al fluido de trabajo ser bombeado en el compartimento de diafragma 226 a través de la válvula 286 y el compartimento de diafragma 228. Cada conducto de derivación 290 puede tener cualquier forma de acuerdo a la configuración concreta del compartimento de motor. En el ejemplo ilustrado, un conducto de derivación 290 es mostrado abarcando un paso de tránsito en un miembro de alojamiento anular 292 situado entre la pared 288 y la segunda porción de alojamiento 234, un hueco en un extremo de la pared 288 que está en comunicación fluida con el extremo ascendente del paso de tránsito y un hueco en la segunda porción de alojamiento 234 que está en comunicación fluida con el extremo descendente del paso de tránsito.

[0032] El funcionamiento del motor térmico de ciclo cerrado regenerativo 210 es análogo al funcionamiento del motor térmico de ciclo cerrado regenerativo 10 como está ilustrado en las Figuras 4 a 9, por lo que no será descrito en detalle otra vez. De forma similar al desplazador 18 del motor térmico de ciclo cerrado regenerativo 10, el desplazador 218 del motor térmico de ciclo cerrado regenerativo 210 cubre los extremos caliente y frío 226-1, 226-2 cuando alcanza los respectivos extremos de su movimiento oscilante entre los dos extremos.

[0033] En la práctica, el fluido de trabajo bombeado en la válvula 286 pasa del compartimento de diafragma 228 al extremo frío 226-2 del compartimento de desplazador a través del conducto conector 290 y dos aberturas 242 que se extienden entre los compartimentos de desplazador y el compartimento de diafragma. Desde el extremo frío 226-2 del compartimento de desplazador 226, el fluido de trabajo bombeado es capaz de fluir hasta el extremo caliente 226-1 del compartimento de desplazador 226 atravesando los canales helicoidales 221-1, 221-2 y aberturas 223 del desplazador 218. Desde el extremo caliente 226-1, el fluido de trabajo bombeado es capaz de pasar dentro del compartimento 284 que aloja el accionamiento eléctrico lineal 246 a través del espacio entre el eje 214 y un soporte 294 que sujeta el eje 214. De este modo, el compartimento de desplazador 216, el compartimento de diafragma 228 en ambos lados del diafragma 230 y el compartimento 246 constituyen un sistema cerrado que puede ser pre-presurizado a una presión superior a la atmosférica que es sustancialmente igual en todo el sistema cerrado para no afectar adversamente el funcionamiento de las piezas móviles del motor en la cámara.

[0034] Un motor térmico de ciclo cerrado regenerativo que contenga una o más de las características de funcionamiento descritas anteriormente tiene un desplazador deformable elásticamente que tiene una porción sujeta y por lo cual no puede moverse y una porción que está conectada a un eje oscilante. Mientras el eje oscila, el desplazador se deforma para mover un fluido de trabajo entre las respectivas zonas de calentamiento y refrigeración en una cámara. El eje puede ser controlado por un volante alimentado por la salida del motor o un accionamiento eléctrico. El eje puede oscilar en o cerca de la frecuencia propia del desplazador deformable elásticamente. Esto puede reducir la entrada de energía necesaria para operar el desplazador y, por tanto, aumenta la eficiencia del motor. En algunos ejemplos, un ajustador de frecuencia puede estar dispuesto para sintonizar la frecuencia propia del desplazador a la velocidad de accionamiento del motor.

[0035] Mientras el fluido de trabajo se mueve entre las respectivas zonas de calentamiento y refrigeración, pasa a través del desplazador deformable elásticamente. En comparación con un desplazador de pistón monopieza convencional, éste puede incrementar significativamente el área superficial del desplazador disponible por intercambio térmico con el fluido de trabajo.

[0036] En algunos ejemplos, el desplazador puede contener un primer y segundo miembros, o partes de él, separados por aislamiento térmico. Uno de entre el primer y segundo miembros está dispuesto en el lado de la zona de calentamiento y el otro está dispuesto en el lado de la zona de refrigeración. El efecto de la capa de aislamiento térmico puede ser para prevenir, o al menos significativamente inhibir la transferencia térmica entre el primer y segundo miembros. Por lo tanto, el miembro en el lado de la zona de calentamiento se mantendrá a una temperatura relativamente superior que el miembro en el lado de la zona de refrigeración. Respectivamente, el primer y segundo miembros serán mantenidos a una temperatura igual que, o al menos cercana a, la temperatura de las respectivas zonas de calentamiento y refrigeración, de este modo potencialmente se incrementará la eficiencia de los procesos de transferencia térmica que afectan al fluido de trabajo en las zonas de calentamiento y refrigeración.

[0037] En algunos ejemplos, se puede prever el pre-presionado del fluido de trabajo. Esto puede proporcionar una salida de potencia mayor. Un sistema de presurización puede estar provisto para permitir presurización del fluido de trabajo. El sistema de presurización incluye uno o más conductos o separaciones entre componentes para permitir que la presurización afecte a todas las partes de la cámara del motor en la que las piezas móviles asociadas con el desplazador y pistón de potencia o diafragma están alojadas de manera que las presiones que actúan en esas partes estén al menos sustancialmente equilibradas.

[0038] En los motores Stirling convencionales, hay una separación significativa entre el pistón de desplazador y las paredes del cilindro. Esto permite que el fluido de trabajo pase alrededor del pistón de desplazador cuando se mueve entre las zonas de calentamiento y refrigeración. Esto significa que cuando el pistón de desplazador está en los respectivos extremos de su movimiento oscilante hay un espacio muerto alrededor del pistón de desplazador conteniendo una significativa cantidad de fluido de trabajo. Esto reduce la eficiencia global del motor. En los ejemplos ilustrados de un motor térmico de ciclo cerrado regenerativo, el desplazador deformable elásticamente cubre al menos sustancialmente las zonas de calentamiento y refrigeración cuando se encuentra en los extremos de su movimiento oscilante. En el ejemplo ilustrado por las Figuras 1 a 9, el desplazador deformable elásticamente se deforma de manera que no deja apenas hueco entre la periferia externa del desplazador y el alojamiento, y el paso de tránsito interno a través del cual el fluido de trabajo pasa mientras se mueve entre las zonas de calentamiento y refrigeración está cerrado. De manera similar, en los ejemplos mostrados en las Figuras 10 y 11 y 12 y 13, los desplazadores deformables elásticamente apenas dejan hueco entre la periferia externa del desplazador y el alojamiento, y el paso de tránsito interno a través del cual el fluido de trabajo pasa mientras se mueve entre las zonas de calentamiento y refrigeración está bloqueado. El bloqueo del paso de tránsito interno puede ser parcialmente debido a la deformación del desplazador deformable elásticamente y parcialmente debido a los salientes que se adentran en el paso de tránsito interno. Cuando el desplazador está cubriendo las zonas de calentamiento y refrigeración, una periferia externa del desplazador puede virtual, o verdaderamente, ocupar el alojamiento de manera que no haya espacio muerto alrededor del desplazador. Esto puede incrementar la eficiencia del motor térmico de ciclo cerrado regenerativo ya que asegura que un mayor volumen del fluido de trabajo es calentado y enfriado en las zonas de calentamiento y refrigeración.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un motor térmico de ciclo cerrado regenerativo que contenga:

un alojamiento (12; 112; 212) delimitando una cámara (14);

un desplazador deformable elásticamente (18; 118; 218) alojado en dicha cámara;

un eje (24; 124; 224) conectado con dicho desplazador deformable elásticamente; y un miembro móvil (30; 130; 230) alojado en dicha cámara,

en el cual dicho desplazador deformable elásticamente (18; 118; 218) está sujeto a dicho alojamiento (12; 112; 212) y es deformable elásticamente en respuesta al movimiento de dicho eje (24; 124; 224) para desplazar un fluido de trabajo entre las respectivas zonas de calentamiento y refrigeración en dicha cámara en la que el calor es aportado a dicho fluido de trabajo y dicho fluido de trabajo es enfriado, y dicho miembro móvil (30; 130; 230) es móvil en respuesta a los cambios de presión de dicho fluido de trabajo causados por dichos calentamiento y refrigeración de dicho fluido de trabajo para aportar una potencia mecánica,

caracterizado porque dicho desplazador deformable elásticamente (18; 118; 218) contiene una banda elástica que tiene un primer extremo conectado con dicho eje (24; 124; 224), un segundo extremo conectado con dicho alojamiento (12; 112; 212) y se enrolla sobre dicho eje.

2. Un motor térmico de ciclo cerrado regenerativo como se reivindica en la reivindicación 1, en el cual dicho desplazador deformable elásticamente (18; 118; 218) está sujeto a una pared de dicha cámara.

3. Un motor térmico de ciclo cerrado regenerativo como se reivindica en la reivindicación 2, en el cual dicho alojamiento (12; 112; 212) contiene una primera porción de alojamiento (32; 132; 232) en la cual, en la práctica, el calor es introducido en dicha cámara desde una fuente externa para calentar dicha zona de calentamiento, una segunda porción de alojamiento (34; 134; 234) en la cual, en la práctica, el calor es disipado desde la cámara para enfriar dicha zona de refrigeración y una porción aislada térmicamente (36; 136; 235) situada entre dichas primera y segunda porciones de alojamiento.

4. Un motor térmico de ciclo cerrado regenerativo como se reivindica en la reivindicación 3, en el cual dicha pared a la que dicho desplazador deformable elásticamente (18; 118; 218) está sujeta es delimitada por dicha porción aislada térmicamente (36; 136; 235).

5. Un motor térmico de ciclo cerrado regenerativo como se reivindica en cualquiera de las anteriores reivindicaciones, en el cual dicha cámara contiene un primer compartimento (26; 126; 226) que aloja dicho desplazador (18; 118; 218), dicho primer compartimento tiene un primer extremo (26-1, 126-1,226-1), un segundo extremo (26-2, 126-2, 226-2) y un ancho que aumenta desde dicho primer extremo hacia una región intermedia y disminuye desde dicha región intermedia hasta dicho segundo extremo.

6. Un motor térmico de ciclo cerrado regenerativo como se reivindica en la reivindicación 5, en el cual dicho desplazador deformable elásticamente (18; 118; 218) y dichos primer y segundo extremos están configurados de forma que, en la práctica, dicho desplazador deformable elásticamente ha desplazado dicho fluido de trabajo a dicha zona de refrigeración, dicho desplazador deformable elásticamente cubre dicho primer extremo (26-1, 126-1,226-1) y cuando dicho desplazador deformable elásticamente ha desplazado dicho fluido de trabajo a dicha zona de calentamiento, dicho desplazador deformable elásticamente cubre dicho segundo extremo (26-2, 126-2, 226-2).

7. Un motor térmico de ciclo cerrado regenerativo como se reivindica en la reivindicación 5 ó 6, en el cual dicha cámara delimita un segundo compartimento (28; 128; 228) que aloja dicho miembro móvil (30; 130; 230) y dichos primer y segundo compartimento están en comunicación fluida para permitir que dicho fluido de trabajo actúe en dicho miembro móvil.

8. Un motor térmico de ciclo cerrado regenerativo como se reivindica en cualquiera de las anteriores reivindicaciones, en el cual dicho desplazador deformable elásticamente (18; 118; 218) delimita al menos un paso de tránsito configurado de manera que, en la práctica, el fluido de trabajo desplazado entre dichas zonas de calentamiento y refrigeración pasa a través de dicho paso de tránsito.

9. Un motor térmico de ciclo cerrado regenerativo como se reivindica en cualquiera de las anteriores reivindicaciones, en el cual dicho desplazador deformable elásticamente (18; 118; 218) se deforma para oscilar entre dichas zonas de calentamiento y refrigeración a lo largo del primer eje (116) en dicha cámara y dicho miembro móvil (30; 130; 230) oscila a lo largo del segundo eje (156) que es perpendicular a dicho primer eje.

10. Un motor térmico de ciclo cerrado regenerativo como se reivindica en cualquiera de las anteriores reivindicaciones, en el cual dicho desplazador deformable elásticamente (218) contiene un primer miembro elástico (218-1), un segundo miembro elástico (218-2) y un miembro aislado térmicamente (218-3) situado entre dichos primer y segundo miembros elásticos para aislar térmicamente dicho primer miembro elástico respecto a dicho segundo miembro elástico.

11. Un motor térmico de ciclo cerrado regenerativo como se reivindica en cualquiera de las anteriores reivindicaciones, además conteniendo a menos un saliente (127-1, 127-2) que se extienda en dicha cámara (126) en una de las dichas respectivas zonas, en las cuales al menos un saliente define un conducto complejo (129-1, 129-2) y dicho desplazador deformable elásticamente (118) es deformable para entrar a dicho conducto complejo cuando desplaza dicho fluido de trabajo a la otra de las dichas respectivas zonas.

12. Un motor térmico de ciclo cerrado regenerativo como se reivindica en la reivindicación 11, en el cual al menos un saliente (127-1, 127-2) está vacío.

13. Un motor térmico de ciclo cerrado regenerativo como se reivindica en cualquiera de las anteriores reivindicaciones, en el cual dicho eje (224) está conectado con un accionamiento eléctrico (246) configurado para controlar dicho desplazador deformable elásticamente (216).

14. Un motor térmico de ciclo cerrado regenerativo como se reivindica en la reivindicación 13, en el cual dicho accionamiento eléctrico está configurado para controlar dicho desplazador deformable elásticamente a una frecuencia propia de dicho desplazador deformable elásticamente.

15. Un motor térmico de ciclo cerrado regenerativo como se reivindica en cualquiera de las anteriores reivindicaciones, en el cual dicho miembro móvil contiene un pistón (30; 130) o un diafragma (230).