Silnik cieplny Stirlinga

Zespół:

Istota wynalazku

Silnik Cieplny Stirlinga jest maszyną, w której następuje zmiana energii cieplnej na energię mechaniczną. Zmiana energii cieplnej na energię mechaniczną odbywa się podczas ruchu tłoka (lub wypornika) wywołanego różnicą temperatury. Podczas ruchu obrotowego wirnika, wypornik przysłania część nagrzewaną, a następnie część chłodzoną, co umożliwia wzrost lub zmniejszenie objętości gazu (np. powietrza). Tak wytworzona zmiana objętości gazu powoduje ruch roboczy tłoka.
W silniku cieplnym Stirlinga według wynalazku zastosowano wodzik osadzony ruchowo w wyprofilowanym krzywkowym kanale, wykonanym w obudowie silnika. Krzywkowy kanał posiada odcinki prostych połączone krzywymi łukowymi, które zapewniają ruch liniowo - obrotowy wodzika. W trakcie ruchu odpowiednio wyprofilowana krzywka zapewnia utrzymywanie takiej pozycji wypornika, która przesłania całkowicie strefę ogrzewaną lub chłodzoną (regeneratora), i jedynie w końcowej fazie ruchu tłoka krzywka wymusza obrót wypornika o 180 stopni. Wodzik mechanizmu krzywkowego, tłok, wypornik oraz wał silnika połączone są na sztywno i stanowią jednolity element ruchomy. Takie rozwiązanie znacznie upraszcza budowę silnika cieplnego, gdyż elementy te stanowią jedyną ruchomą część, konieczną do działania silnika.

W niniejszym rozwiązaniu wymiana ciepła w strefie ogrzewanej lub chłodzonej jest intensywna na niemal całym odcinku ruchu tłoka. W proponowanym rozwiązaniu jedyne uszczelnienie elementu ruchomego stanowi pierścień tłoka, co w stosunku do większości znanych odmian silników Stirlinga upraszcza budowę samego silnika oraz upraszcza jego konserwację w czasie eksploatacji.

Korzyści z zastosowania wynalazku

Silnik można wykorzystać w instalacjach i urządzeniach technicznych, w których występuje różnica temperatur, a która potrzebna jest do pracy silnika. Mogą to być kotłownie, chłodnie, instalacje cieplne geotermalne i słoneczne, a nawet elektroniczne wzmacniacze mocy, zasilacze i komputery (karty graficzne, procesory).
Zastosowanie krzywkowego mechanizmu zapewnia uzyskanie liniowej charakterystyki ruchu wypornika w trakcie niemal całego posuwu tłoka. Powoduje to, że charakterystyka sprawności pracy silnika w funkcji przemieszczania tłoka ma kształt zbliżony do trapezu o zaokrąglonych narożach. Taki kształt charakterystyki pozwala na uzyskanie wyższej sprawności silnika.

Silnik można bezpośrednio wykorzystać do napędu mechanicznego lub połączyć z prądnicą do wytwarzania energii elektrycznej.
Zastosowanie silnika Stirlinga w elektrowni słonecznej pozwala na podwyższenie jej sprawności do około 30% (elektrownie słoneczne wykorzystujące ogniwa fotowoltaiczne mają sprawność około 15%).

Potencjał komercjalizacyjny

Silnik posiada prostą konstrukcję i cechuje się wysoką niezawodnością.

Pozwala na wykorzystanie energii cieplnej w miejscach, gdzie dotychczas konieczne było użycie energii do obniżenia temperatury, np. w układach chłodzących procesory.

Dzięki niskiemu stopniowi skomplikowania konstrukcji można oczekiwać niskich kosztów produkcji silników.

Silnik może znaleźć zastosowanie w urządzeniach i instalacjach technicznych, w geotermii i innych instalacjach wykorzystujących energię słoneczną.