MOTOR STIRLING EQUIPADO CON CÁMARAS EN FORMA DE FUELLES.

Los motores Stirling dotados de fuelles en función de cámaras,

presentan problemas en su mantenimiento como consecuencia del pandeo de los fuelles lo que finaliza en el cambio prematuro de los mismos, por otra parte su adaptabilidad a gases de distinta naturaleza conlleva que sean poco versátiles al ser el volumen de la cámara de regeneración constante, motivo por el cual, el motor objeto de la invención incorpora, regenerador de ciclo regulable, cámaras fría y caliente de volumen ajustable, y aisladas la una de la otra mediante pantalla aislante, calentadores eléctricos de temperatura ajustable, fuelles de volumen regulable, elementos móviles de recorrido ajustable aplicados al fuelle, calentamiento interior de la cámara caliente en su centro mediante un concentrador solar sin pérdidas por conducción.

Objeto de la Invención.

Pertenece al campo de motores térmicos de los denominados stirling, más concretamente los de tipo alfa en los que merced a una diferencia de temperaturas entre dos focos se genera el movimiento de su eje motriz. Su ciclo de trabajo se configura a base de dos transformaciones isocóricas (calentamiento y enfriamiento a volumen constante), y dos isotermas (compresión y expansión a temperatura constante).

Estado de la Técnica.

Se conoce como ciclo Stirling referido a los hermanos Robert y James Stirling, un ciclo termodinámico teórico de una máquina motriz ditérmica reversible, constituido por la sucesión de cuatro fases de la evolución de un gas perfecto, entre dos focos de fuentes de calor de temperatura constante y uniforme, separadas por un intercambiador adiabático e isócoro.

El motor Stirling es un motor térmico, que utiliza energia térmica para generar energia mecánica. Este motor funciona al aplicar calor a través de un foco el cual transmite calor a un gas que hace el trabajo, su principio se basa en una diferencia de temperaturas en diferentes focos que hace expandir y contraer este gas, el cual hace mover los pistones del motor, uno o más.

El foco puede tener características totalmente distintas, empleándose desde bujías para el calentamiento del gas, hasta calor procedente del sol, que se aplica a una de las cámaras del regenerador del motor por conducción en sus paredes, las cuales calientan el gas contenido en su interior, con las consiguientes pérdidas térmicas.

Estos motores producen escasos gases de calentamiento, sea cual fuere el combustible empleado, por lo que el motor del ciclo Stirling es de gran interés a pesar de su elevado coste de fabricación.

El principio de funcionamiento es el trabajo realizado por la expansión y contracción de un gas, (normalmente helio, hidrógeno, nitrógeno o simplemente aire) , al ser obligado el gas a seguir un ciclo de enfriamiento en un foco frió, con lo cual se contrae, y de calentamiento en un foco caliente, con lo cual dicho gas se expande.

Básicamente la fuente de energía puede ser cualquier foco de calor externo, con lo que puede ser aplicado en multitud de situaciones, aprovechando calor residual de origen industrial, combustión de todo tipo de materiales, calor solar, e incluso el originado en procesos de fisión nuclear. Dado de que la combustión se genera externamente al motor, no como la provocada en el interior de cada cilindro de un motor de combustión interna, puede controlarse a la perfección el flujo de energía.

El mecanismo central de un motor Stirling comprende dos pistones/cilindros, uno para disipar calor y desplazar aire caliente hacia la sección fria y (viceversa). En la práctica este cilindro funciona como intercambiador de calor, y se le denomina regenerador. El otro pistón entrega la fuerza para aplicar par al cigüeñal.

Uno de los problemas de este tipo de motores, es que no es posible ponerlo en funcionamiento en forma instantánea, lo que limita que pueda utilizarse como medio propulsor en todo tipo de máquina que precise movimiento en un eje.

Atendiendo al funcionamiento básico de un motor Stirling y de los distintos componentes que conforman el mecanismo de un motor de este tipo convencional, y las diferentes formas en que pueden ser combinados para su funcionamiento, se hace necesario llevar a cabo una distinción entre los diferentes tipos de estos motores, poniendo de manifiesto las diferencias tanto constructivas como funcionales que presentan los mismos.

Entre las diferencias que caracterizan los distintos tipos de motores Stirling entresacamos las siguientes:

- Número de cilindros o pistones que presenta cada motor.

Desplazamiento del fluido a lo largo de las diferentes partes del motor.

Disposición de los elementos que lo conforman, tales como cigüeñal, biela, pistones, todos ellos o su combinación dando lugar de este modo a un tipo de motor con una mayor o menor complejidad estructural.

De entre los tipos más comunes de motores stirling entresacamos los siguientes:

- Motor tipo beta.

- Motor tipo alfa.

- Motor tipo gama.

El motor Stirling original fue el diseñado por Robert Stirling en 1.816, y es el tipo beta, la característica principal de dicho motor, es que consta de un único cilindro, y que precisa incorporar en su interior un desplazador, en un extremo del cilindro se encuentra el foco caliente, y en el opuesto lo hace el foco frío, la misión del desplazador es hacer circular el fluido de la zona fría a la zona caliente.

El motor de tipo alfa fue diseñado en USA por el Sr. Rider, y cuya característica principal en relación a los de tipo beta es que no utiliza desplazador, pero desde el punto de vista termodinámico el funcionamiento es similar, al constar de dos cilindros independientes en vez de uno, conectados entre sí por un tubo en el que se sitúa el regenerador que almacena y cede el calor. En cada uno de los cilindros hay un pistón que se mueve 90° desfasado respecto al otro.

Finalmente el motor de tipo gama, es un motor derivado directamente del motor tipo beta, con la característica principal que constructivamente hablando es más fácil de construir, al situarse el pistón y el desplazador ambos en un mismo cilindro, el vástago de unión del desplazador con el cigüeñal debía hacerse pasar por un pistón. Desde el punto de vista de la termodinámica su rendimiento es inferior a los de tipo beta, puesto que la expansión de trabajo se realiza en su totalidad a menor temperatura.

En términos teóricos, el motor Stirling puede alcanzar una eficiencia del orden del 90% (eficiencia de Carnot). Sin embargo tanto los materiales como las formas de fabricación conocidas y practicadas hasta el presente no son lo suficientemente buenos para alcanzar tal eficiencia, pero día a día se mejora en cuanto a la construcción del motor. Se trata de un ciclo reversible, es decir que en vez de proporcionarle una diferencia de temperatura y generar trabajo mecánico, es posible entregarle energía mecánica y producir calor o frió, dependiendo del foco que se use. Se dice que es un ciclo cerrado, (cuando el gas nunca abandona el ciclo), y degenerativo para lo cual se utiliza un intercambiador de calor que aumenta la eficiencia

En todos lo motores stirling conocidos en los cilindros se utilizan pistones, la alternativa a los mismos es sustituir los mismos por fuelles, en cuyo interior se produce la compresión o expansión de gas, sin embargo la deformación de los mismos obliga a su reparación o cambio, consecuencia del pandeo y consecuentemente el rendimiento del motor baja considerablemente

Finalidad de la Invención.

Mejorar el rendimiento del motor Stirling convencional de tipo alfa, de manera que el ciclo de dicho motor a diferencia de lo que es conocido y practicado en el estado de la técnica, comprende elementos ajustables que citamos a continuación:

-Regenerador de ciclo regulable.

- Cámaras fria y caliente de volumen ajustable, y aisladas la una de la otra mediante pantalla aislante.

- Calentadores eléctricos de temperatura ajustable.

- Fuelles de volumen regulable.

- Elementos móviles de recorrido ajustable aplicados al fuelle.

- Calentamiento interior de la cámara caliente en su centro mediante un concentrador solar sin pérdidas por conducción.

Descripción de la Invención.

Existen distintos tipos de arquitectura de motores Stirling en el estado de la técnica, referidos a los diferentes tipos entre otros los beta, alfa, gama y sus variantes, el objeto de la invención se ha diseñado de manera que el motor dispone de una parte superior en la que se encuentra el intercambiador, cuyo regenerador dispone de una zona fria y una zona caliente separadas por la correspondiente pantalla aislante, y en la parte inferior los elementos móviles formados por un fuelle caliente, y un fuelle frió, conectados dichos fuelles con las correspondientes bielas con una caja cinemática, en la que se encuentra el correspondiente volante de inercia y el eje motriz del motor.

El regenerador según es una de las características de la invención, permite ajustar el flujo de gas de la zona caliente a la fria, mediante la previsión de dos discos con surcos planos que pueden girar el uno respecto del otro para dejar pasar más o menos gas con el auxilio de una clavija, para que se queden en una posición fijada, acorde con el ciclo del motor y en función del gas presente en el regenerador

A diferencia de lo que es conocido por el estado de la técnica, el motor objeto de la invención ha incorporado a los fuelles convencionales utilizados por algunos motores, sendos medios...

1. "MOTOR STIRLING CON CAMARAS EN FORMA DE FUELLES" los que comprenden uno o más cilindros, un intercambiador de calor y un fluido sometido a una diferencia de temperaturas, generando la compresión yexpansión del fluido en el interior de la cámara de los cilindros un movimiento de los pistones y de las bielas asociadas a los mismos por uno de sus extremos, mientras que por el opuesto las bielas se conectan cinemáticamente a un eje y a un volante de inercia caracterizado en que el regenerador del motor comprende una zona fria y una zona caliente separadas térmicamente mediante una pantalla aislante, pudiéndose regular el caudal de gas frió en la zona fria hacia la zona caliente, mediante unos medios de regulación y, calentándose la zona caliente mediante un concentrador solar, la expansión o bien compresión del fluido se realiza en el interior de unos fuelles que, montados entre un cabezal superior y un cabezal inferior intercalando discos entre las espirales de los fuelles, unidos dichos cabezales por medio de sendos pasadores perpendiculares a los mismos, estando unidos dichos fuelles por su parte inferior, cabezal inferior con una biela, cuyo extremo, el de la biela, se asocia a un volante de inercia y a un eje motor.

2. "MOTOR STIRLING CON CAMARAS EN FORMA DE FUELLES" según la 1ª reivindicación caracterizado en que los fuelles tanto el asociado a la zona fria como a la zona caliente del intercambiador, están unidos por su cabezal superior al mismo mediante sendos conductos para el paso del fluido del intercambiador a la parte interior de dichos fuelles.

3. "MOTOR STIKLING CON CAMARAS EN FORMA DE FUELLES" según la 1ª reivindicación caracterizado en que los fuelles de foco frió y caliente podrán ser del mismo volumen o distinto volumen.

4. "MOTOR STIRLING CON CAMARAS EN FORMA DE FUELLES" según la 1ª reivindicación caracterizado en que los fuelles a montar entre el cabezal superior y el cabezal inferior pueden ser entre otros del tipo espiral o de láminas, intercalando entre grupos de espiral laminas distanciadoras a modo de anillos.

5. "MOTOR STIRLING CON CAMARAS EN FORMA DE FUELLES" según las anteriores reivindicaciones caracterizado en que los pasadores que unen el cabezal inferior y el superior de los fuelles, hacen de medios de guia de una corredera, en cuyos extremos se encuentran unos medios tubulares que rodean dichos pasadores y que se deslizan verticalmente arriba y abajo de los mismos, en concordancia con la expansión o contracción de los fuelles.

6. "MOTOR STIRLING CON CAMARAS EN FORMA DE FUELLES" según las 1ª y 3ª reivindicaciones caracterizado en que los fuelles de espiral presentan en sus partes extremas unos elementos tubulares para su unión al cabezal superior e inferior.

7. "MOTOR STIRLING CON CAMARAS EN FORMA DE FUELLES" según las 1ª y 3ª reivindicaciones caracterizado en que los fuelles de láminas se disponen unos encima de los otros con una alineación vertical.

8. "MOTOR STIRLING CON CAMARAS EN FORMA DE FUELLES" según las 1ª, 3ª y 6ª reivindicaciones caracterizado en que entre los grupos de pares de fuelle de un fuelle de láminas se intercalan discos rigidizadores.

9. "MOTOR STIRLING CON CAMARAS EN FORMA DE FUELLES" según la 1ª reivindicación caracterizado en que el volumen interior del fuelle del foco frió y caliente es el mismo.

10. "MOTOR STIRLING CON CAMARAS EN FORMA DE FUELLES" según la Ia reivindicación caracterizado en que el volumen interior del fuelle del foco caliente y frió son distintos.

11. "MOTOR STIRLING CON CAMARAS EN FORMA DE FUELLES" según la Ia reivindicación caracterizado en que elextremo inferior de las bielas asociadas al fuelle del foco frió y del foco caliente, se unen al volante de inercia situado en el interior de la caja cinemática, según una distribución de orificios previstos en dicho volante.

12. "MOTOR STIRLING CON CAMARAS EN FORMA DE FUELLES" según la 1ª reivindicación caracterizado en que los medios de regulación de paso del gas de la zona fria a la zona caliente, son sendos discos provistos de orificios y enfrentados paralelamente en el interior de un soporte instalado en el interior de la zona caliente, accionado uno de los discos para su giro mediante la apertura clavia.

13. "MOTOR STIRLING CON CAMARAS EN FORMA DE FUELLES" según la Ia reivindicación caracterizado en que el concentrador solar remite las radiaciones solares a la parte interior central de la zona caliente.