NO336537B1 - Anordning ved forbedret eksternvarmemaskin - Google Patents

Abstract

Anordning ved eksternvarmemaskin (1) som arbeider etter en Rankinesyklus, og fortrinnsvis en organisk Rankinesyklus, hvor eksternvarmemaskinen (1) som er utformet til å gi driftsfordeler, omfatter en sylinderblokk (2), et topplokk (4) og en bunnpanne (6) med tetningsflater (12, 14, 22) innrettet for innbyrdes sammenføyning og for anlegg mot komplementært passende deksler (24, 26, 28, 30), og hvor hver tetningsflate (12, 14, 22) ligger tettende an mot kun en motstående tetningsflate.

Description

ANORDNING VED FORBEDRET EKSTERNVARMEMASKIN

Denne oppfinnelsen vedrører en forbedret eksternvarmemaskin. Nærmere bestemt dreier det seg om en anordning ved en eksternvarmemaskin som arbeider etter en Rankinesyklus, fortrinnsvis en organisk Rankinesyklus, og hvor eksternvarmemaskinen, som er utformet til å gi driftsfordeler, omfatter en sylinderblokk og et topplokk med tetningsflater innrettet til innbyrdes sammenføyning og for anlegg mot en kom-plementær passende flate.

I en eksternvarmemaskin befinner varmekilden seg utenfor eksternvarmemaskinen som er innrettet til å omgjøre varme til for eksempel mekanisk energi. Denne oppfinnelsen vedrører en eksternvarmemaskin som primært arbeider etter den såkalte orga-niske Rankinesyklus (Engelsk: Organic Rankine Cycle - ORC). Det antas at den også kan være egnet for andre eksternvarmemaskinsykluser, og da især konvensjonell Rankinesyklus. Denne prosessen omfatter i sin enkleste form oppvarming av et me-dium i en fordamper inntil det inntar dampfase under trykk. Deretter ledes dampen inn i eksternvarmemaskinen hvor trykket reduseres mens varmeenergien omvandles til mekanisk energi. Mediet kondenseres deretter i en i forhold til eksternvarmemaskinen ekstern kondensator før det pumpes tilbake til fordamperen.

Oppfinnelsen retter seg mot en eksternvarmemaskin av stempeltypen.

Eksternvarmemaskiner av denne art er utformet til å kunne være i kontinuerlig drift hele døgnet i flere år uten reparasjoner og med minimalt vedlikehold. Forhold så som tetningsutforming og valg av drivlinjer har vist seg å være avgjørende for å oppnå tilstrekkelig lang levetid.

De mest brukte drivlinjene for ventiler i konvensjonelle stempelmaskiner omfatter of-test kjede- eller ta nn rei msd rift. Kjente drivlinjer av denne art har ikke tilstrekkelig lang levetid for anvendelse i en eksternvarmemaskin.

Det har imidlertid vist seg at tannhjulsdrift, selv med sine negative trekk så som støy og overføring av vibrasjoner, utgjør en anvendbar løsning. Årsaken er en vesentlig lengre levetid under hensiktsmessige forhold. Riktig dimensjonering og god smøring er avgjørende i så henseende.

Fra US 4428197 A er det kjent en eksternvarmemaskin i form av en Stirlingmotor som er bygget opp med en sylinderblokk, et topplokk og en bunnpanne med tetn i ngsf later. Det er ikke spesifikt angitt i publikasjonen at eksternvarmemaskinen skal arbeide etter en Rankinesyklus, og fortrinnsvis en organisk Rankinesyklus. Det er heller ikke vist i publikasjonen at sylinderblokken, topplokket og bunnpannen med tetningsflåtene er innrettet for innbyrdes sammenføyning og for anlegg mot komplementært passende deksler der hver tetningsflate ligger tettende an mot kun én motstående tetningsflate.

GB 2485162 A beskriver et varmesystem som benytter en organisk Rankinesyklus. Dette varmesystemet er også bygget inne i et hus om har tetn i ngsf later.

GB 2051961 A viser en Stirlingmotor som benytter seg av to separate varmeelemen-ter.

US 2004/0040313 Al beskriver et system som kan skape energi til et hus ved hjelp av en liten gassturbin. Dette systemet er bygget inn i et hus eller en kasse som omgir gassturbinen og en generator. Dette systemet kan benyttes til samme formål som oppfinnelsen, men benytter en helt annen energikilde.

US 6536207 Bl angir et system som skaper energi ved hjelp av en Stirlingmotor. Denne energien kan benyttes som elektrisk energi eller varme innendørs. Oppbyg-gingen av huset som omgir systemet, er ulikt det som vedrører oppfinnelsen.

Oppfinnelsen har til formål å avhjelpe eller redusere i det minste én av ulempene ved kjent teknikk.

Formålet oppnås i henhold til oppfinnelsen ved de trekk som er angitt i nedenstående beskrivelse og i de etterfølgende patentkrav.

I henhold til oppfinnelsen er det tilveiebrakt en eksternvarmemaskin som arbeider etter en Rankinesyklus, og fortrinnsvis en organisk Rankinesyklus, hvor eksternvarmemaskinen, som er utformet til å gi driftsfordeler, omfatter en sylinderblokk, et topplokk og en bunnpanne med tetningsflater innrettet til innbyrdes sammenføyning og til anlegg mot komplementært passende dekselflater, idet eksternvarmemaskinen kjennetegnes ved at hver tetningsflate ligger tettende an mot kun én motstående tetningsflate.

Med driftsfordeler menes i denne sammenheng lenger driftstid mellom forekomsten av feil og lenger drifts intervall mellom vedlikeholdstiltak enn det som er vanlig ved for eksempel forbrenningsmotorer.

Erfaringsmessig gir såkalte T-skjøter hvor en tetnings endeparti typisk står vinkelrett mot en annen tetning, større fare for feil enn når en tetningsflate kun ligger an mot én motstående tetningsflate. Derfor vil mange løsninger som er vanlige ved stempelba-serte forbrenningsmotorer, for eksempel være uegnet for eksternvarmemaskiner. Tet-ningene kan omfatte separate pakninger eller pakningsmasse mellom de enkelte ma-skinkomponentene.

Eksternvarmemaskinen kan utgjøre en trykktett konstruksjon. Det vil si at alle komponenter som inngår i varmekraftmaskinen, er konstruert til å tåle et relativt høyt inn-vendig trykk. Et overtrykk på 5 bar er normalt tilstrekkelig, men eksternvarmemaskinen kan under særlige forhold måtte kunne motstå et overtrykk på opp mot 10 bar.

Eksternvarmemaskinen er selvfølgelig forsynt med innløp og utløp (eksosport) for drivmedium.

Eksternvarmemaskinen kan være utformet med en elektrisk generator som befinner seg innenfor eksternvarmemaskinens trykktette deksler. Det er derved unødvendig å føre for eksempel en veivaksling ut fra eksternvarmemaskinen for drift av generatoren, noe som i vesentlig grad reduserer faren for lekkasjer fra en akseltetning.

Den elektriske generatoren kan omfatte en rotor som er anordnet på en veivaksel i eksternvarmemaskinen.

I eksternvarmemaskinen er det normalt anordnet ventiler som drives av ventildrev via et første ventildrev, alternativt også et andre mellomdrev. Det første mellomdrevet er i inngrep med minst to drev som kan være ventildrev og/eller ytterligere mellomdrev. Det første mellomdrevet kan være i inngrep med veivakseldrevet direkte eller via et tredje mellomdrev.

I og med at det første mellomdrevet har sitt drevfeste i sylinderblokka og ventildrevene samt eventuelle ytterligere mellomdrev er tilordnet topplokket, kan topplokket demonteres fra sylinderblokka uten at drevene behøver å demonteres først. Dette bidrar til redusert arbeidsomfang dersom for eksempel en topp-pakning skal skiftes. I så henseende vil det være praktisk at det første mellomdrevet er relativt stort i forhold til de drevene det står i inngrep med, f.eks. at det har en diameter nær dobbelt så stor eller større, alternativt med et tannantall minst to ganger større enn disse. For å legge til rette for dette, kan det lages ekstra rom for det første, store mellomdrevet i sylinderblokka. F.eks. i et tilfelle hvor sylinderblokka er laget av et støpt materiale, f.eks. grått støpejern, kan det lages en utvidet kurvefasong i sylinderblokka tilpasset formen og størrelsen til det første, store mellomdrevet, men likevel ikke større enn det som er praktisk nødvendig.

Minst ett av ventildrevene kan være koplet til en kamaksel, og minst ett av ventildrevene kan være koplet til en dreieventil.

Ett av ventildrevene kan være koplet til en ventilforstillingsmekanisme. Med ventilforstillingsmekanisme menes en mekanisme som, når den aktiveres, dreier den ene kamakselen eller dreieventilen relativt den andre kamakselen, dreieventilen eller veivakselen. US-patentene 5253622 og 6994067 viser to ulike mekaniske ventilforstil-lingsmekanismer.

Tilførsel av rikelig med smøremiddel til drevene er viktig. Smøremiddel kan være til-ført via ett av drevfestene, f.eks. en drevaksling, fortrinnsvis via et drev hvor en spreder er anordnet, gjerne i form av maskinerte spor i drevet. Eksternvarmemaskinen er dessuten forsynt med en relativt stor bunnpanne (oljesump) for å kunne holde en for-holdsvis stor mengde smøremiddel, noe som i seg selv forlenger intervallet mellom smøremiddelskiftene.

Selv om tetningsutformingen mellom eksternvarmemaskinens komponenter så som sylinderblokk, topplokk og bunnpanne samt deksler for disse anses for særlig viktig, bidrar også de andre trekkene ved oppfinnelsen til å oppnå målet om lenger driftstid mellom forekomst av feil og lenger driftsintervall mellom vedlikeholdstiltak.

I det etterfølgende beskrives et eksempel på en foretrukket utførelsesform som er anskueliggjort på medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 viser et forenklet sideriss av en eksternvarmemaskin i henhold til oppfinnelsen; Fig. 2 viser forenklet sylinderblokkens tetningsflate mot topplokket; Fig. 3 viser forenklet et enderiss av eksternvarmemaskinen hvor deksler er fjer-net; og

Fig. 4 viser det samme som fig. 3, men i en alternativ utførelsesform.

På tegningene betegner henvisningstallet 1 en eksternvarmemaskin som omfatter en

sylinderblokk 2, et topplokk 4 og en bunnpanne 6.

Et stempel 8, se fig. 2, er på i og for seg kjent måte koplet til en veivaksel 10 (se figur 3).

Sylinderblokka 2 er utformet med en første tetningsflate 12 som vender mot topplokket 4 og er innrettet til å ligge tettende an mot en andre tetningsflate 14 i topplokket 4.

Fig. 2 viser den første tetningsflaten 12 som har en stempelåpning 16 og en drevåp-ning 18 for et første mellomdrev 20. Andre i og for seg nødvendige åpninger i den første tetningsflaten som for eksempel bolthull, er kjent for en fagmann og er ikke vist.

Den andre tetningsflaten 14 ligger således, typiske via en ikke vist topp-pakning, kun an mot den første tetningsflaten 12 som er hel, det vil si at det ikke forekommer såkalte T-skjøter hvor en tetnings endeparti typisk står vinkelrett mot en annen tetning eller andre former for sammensatte tetningsflaten

På tilsvarende måte tetter tetningsflater 22 på sylinderblokken 2 mot respektive tetningsflater på bunnpannen 6, på et registerdeksel 24 og på et generatordeksel 26.

Topplokkets 4 tetningsflater 22 tetter på tilsvarende måte mot tetningsflaten på et drevdeksel 28 og mot en tetningsflate på et ventildeksel 30.

Veivakselen 10 er ved sitt ene endeparti forsynt med et veivakseldrev 32 (se figur 3). Veivakseldrevet 32 er utformet med et første tannsett 34 og et andre tannsett 36. Det er også innlysende at de to nevnte tannsettene 34, 36 kan være del av to i og for seg separate drev.

Topplokket 4 er i denne foretrukne utførelsesformen utformet med en dreieventil 38 på innløpssiden og ikke viste seteventiler på utløpssiden, hvor seteventilene drives av en kamaksel 40.

Dreieventilen 38 og kamakselen 40 drives ved hjelp av henholdsvis et første ventildrev 42 og et andre ventildrev 44. Ventildrevene 42, 44 drives via det første mellomdrevet

20 som er i inngrep med det første tannsettet 34 på veivakseldrevet 32, og et andre mellomdrev 43 besørger videre drift mellom det første mellomdrevet 20 og det andre ventildrevet 44. Forholdet mellom ventildrevenes 42, 44 tannantall og det første tann-setts 34 tannantall er valgt slik at dreieventilen 38 og kamakselen 40 dreies med henholdsvis halv og full hastighet i forhold til veivakselen 10. Det første mellomdrevet 20

er opplagret i sylinderblokken 2 ved hjelp av et lager 46 som står på en aksel 48.

Det er anordnet en smøremiddelpumpe 50 i eller ved bunnpannen 6, og fortrinnsvis består smøremiddelpumpen 50 bl.a. av et pumpehus utformet som en del av sylinderblokka 2. Smøremiddelpumpen 50 drives av et pumpedrev 52 via det andre tannsettet 36 på veivakseldrevet 32.

Ved å la begge ventildrevene 42, 44 drives av henholdsvis det første mellomdrevet 20 samt et andre mellomdrev 43, forenkles drivlinjen 54 som omfatter veivakseldrevet 32, det første mellomdrevet 20, det andre mellomdrevet 43 og ventildrevene 42, 44 vesentlig. Løsningen muliggjør demontering av topplokket 4 fra sylinderblokken 2 uten demontering av ventildrevet 42 og det andre mellomdrevet 43 fra topplokket 4 eller mellomdrevet 20 fra sylinderblokken 2.

En generator 56 (se figur 1) er koplet til veivakselen 10 ved veivakselens 10 motstående endeparti relativt veivakseldrevet 32. Generatoren 56 befinner seg innenfor ge-neratordekselet 26 i sylinderblokken 2. Generatoren 56 omfatter en rotor 57 som er anordnet på veivakselen 10.

I denne foretrukne utførelsesformen er det anordnet en ventilforstillingsmekanisme 58 mellom det første ventildrevet 42 og dreieventilen 38. Eksempler på ventilforstillings-mekanismer er gitt i dokumentets generelle del.

En smøremiddeltilførsel med spreder 60 er tilordnet et drevfeste 62. Veivakselen 10, dreieventilen 38, kamakselen 40, akslene 41, 48 og smøremiddelpumpen 50 utgjør

drevfester 62 idet de holder hvert sitt drev, henholdsvis veivakseldrevet 32, det første ventildrevet 42, det andre ventildrevet 44, mellomdrevene 20, 43 og pumpedrevet 52.

I en alternativ utførelsesform, se fig 4, drives det første mellomdrevet 20 av det første tannsettet 34 på veivakseldrevet 32 via et tredje mellomdrev 64.

Denne utførelsesformen kan være hensiktsmessig dersom avstanden mellom veivakseldrevet 32 og ventildrevene 42, 44 er stor. Et tilstrekkelig stort enkelt første mellomdrev 20 kan da være upraktisk.

Claims (12)

1. Anordning ved eksternvarmemaskin (1) som arbeider etter en Rankinesyklus, og fortrinnsvis en organisk Rankinesyklus, hvor eksternvarmemaskinen (1) som er utformet til å gi driftsfordeler, omfatter en sylinderblokk (2), et topplokk (4) og en bunnpanne (6) med tetningsflater (12, 14, 22) innrettet for innbyrdes sam-menføyning og for anlegg mot komplementært passende deksler (24, 26, 28, 30),karakterisert vedat hver tetningsflate (12, 14, 22) ligger tettende an mot kun én motstående tetningsflate.

2. Anordning i henhold til krav 1,karakterisert vedat eksternvarmemaskinen (1) er trykktett mot omgivelsene.

3. Anordning i henhold til krav 1,karakterisert vedat eksternvarmemaskinen (1) er dimensjonert til å kunne motstå minst 5 bar overtrykk.

4. Anordning i henhold til krav 1,karakterisert vedat eksternvarmemaskinen (1) er utformet med en generator (56) som befinner seg innenfor den trykktette eksternvarmemaskinen (1).

5. Anordning i henhold til krav 4,karakterisert vedat generatoren (56) omfatter en rotor (57) som er anordnet på veivakselen (10).

6. Anordning i henhold til krav 1 hvor det i topplokket (4) er anordnet ventildrev (42, 44) og hvor et første mellomdrev (20) drives av veivakselen (10),karakterisert vedat det første mellomdrevet (20) er i inngrep med minst to drev (42, 43) som er anordnet i topplokket (4).

7. Anordning i henhold til krav 6,karakterisert vedat det første mellomdrevet (20) er i direkte inngrep med et veivakseldrev (32).

8. Anordning i henhold til krav 6,karakterisert vedat det første mellomdrevet (20) er i inngrep med veivakseldrevet (32) via et andre mellomdrev (64).

9. Anordning i henhold til krav 6,karakterisert vedat minst ett av ventildrevene (42, 44) er koplet til en kamaksel (40).

10. Anordning i henhold til krav 6,karakterisert vedat minst ett av ventildrevene (42, 44) er koplet til en dreieventil (38).

11. Anordning i henhold til krav 6,karakterisert vedat minst ett av ventildrevene (42, 44) er koplet til en ventilforstillingsmekanisme (58).

12. Anordning i henhold til krav 6,karakterisert vedat smø-remiddel er tilført via en et drevfeste (62).