ДВИГАТЕЛЬ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ Российский патент 1994 года по МПК F02G1/04 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может найти применение при создании двигателя с внешним подводом теплоты небольшой мощности и массы, способного использовать различные источники теплоты, в том числе термальные, солнечные, радиоизотопные.

Известен двигатель с внешним подводом теплоты (патент Великобритании N 1413438, кл. Е 10, 1978), содержащий корпус с цилиндром, в котором размещен регенератор, делящий его полость на "холодный" и "горячий" переменные объемы при помощи сильфонных поршней, соединенных с цилиндром, а также через перепускные клапаны друг с другом. Торцовые части цилиндра и сильфонные поршни охватывают теплопередающие кожухи, заполненные теплоаккумулирующей жидкостью.

Недостатками такой конструкции двигателя являются сложность устройства и малая частота колебаний поршней из-за значительного сопротивления аккумулирующей жидкости и низкий КПД при значительной массе двигателя.

Наиболее близким к предлагаемому является двигатель с внешним подводом теплоты (авт. св. N 1134754, кл. F 02 G 1/04), содержащий теплопередающие кожухи и размещенные в них "горячие" и меньшие по диаметру "холодные" сильфоны, внутренние переменные объемы которых образуют две "горячих" и две "холодных" полости двигателя, сообщенные друг с другом через регенераторы и перепускные каналы, выполненные в штоке, центральная часть которых выполнена в виде золотникового перепускного устройства, при этом оппозитно расположенные крышки "холодных" сильфонов жестко закреплены на концах общего штока.

Недостатками такой конструкции двигателя являются его динамическая несбалансированность, сложная конструкция золотникового распределения и наличие трущихся пар, работающих при повышенных температурах в режиме "неуплотненного поршня", а также большие габариты двигателя, вследствие расположения золотникового устройства между крышками "горячих" сильфонов, наличия значительных по объему паразитных полостей, образуемых крышками сильфонов, и расположения регенераторов между крышками "холодных" и "горячих" сильфонов.

Целью изобретения является упрощение конструкции газораспределительной системы, сокращение габаритов, повышение надежности и обеспечение сбалансированности работы двигателя.

Для этого регенераторы размещены в сопряженных полостях "холодных" и "горячих" сильфонов, расположенных в герметичных теплопередающих кожухах, а плоские крышки "холодных" сильфонов, работающих в противофазе, жестко соединены друг с другом посредством штока, в центральной части которого образован двухсторонний газораспределительный клапан, выполненный с возможностью взаимодействия с клапанным седлом, образованным в плоской диафрагме, разделяющей две "горячих" полости сильфона, работающих в противофазе.

Отбор мощности в двигателе и его сбалансирование осуществлены посредством сдвоенного кривошипного механизма, управляющего также и работой газораспределительного канала.

На фиг. 1 изображен предлагаемый двигатель с внешним подводом теплоты, разрез, в позиции верхней "мертвой" точки; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.

Двигатель содержит два "горячих" сильфона 1 и 2, разделенных плоской диафрагмой 3 с наружным диаметром, большим диаметра сильфонов, но меньшим внутреннего диаметра кожуха, и расположенных в теплоподводящем кожухе 4, и два "холодных" сильфона 5 и 6 с диаметром, меньшим, чем у "горячих", расположенных соответственно в теплоотводящих кожухах 7 и 8, сообщенных друг с другом через холодильник 9. Противоположные концы теплоподводящего кожуха 4 сообщены через трубчатый подогреватель 10, расположенный в корпусе подогревателя 11, установленном на теплоподводящем кожухе. Верхний рабочий объем образуют внутренние полости "холостого" сильфона 5 и "горячего" сильфона 1, постоянно сообщенные друг с другом через регенератор 12. Нижний рабочий объем образуют внутренние полости "горячего" сильфона 2 и "холодного" сильфона 6, постоянно сообщенные друг с другом через регенератор 13. Шток 14 жестко соединяет крышки "холодных" сильфонов 5 и 6, в средней части он снабжен двухсторонним клапаном 15, а диафрагма 3 снабжена клапанным гнездом 16. В нижнем теплоотводящем кожухе 8 расположен сбалансированный силовой механизм, выполненный в виде спаренных кривошипов 17 с синхронизирующими зубчатыми колесами 18 и шатунов 19, кинематически связанных со штоком 14 двигателя. По меньшей мере один кривошип снабжен валом 20 отбора мощности (фиг. 2). Переменные рабочие объемы "холодных" и "горячих" сильфонов заполнены под избыточным давлением газообразным рабочим телом (р. т. ) с высокой теплопроводимостью и теплоемкостью, например гелием. Таким же газом в качестве промежуточного теплоносителя под таким же избыточным давлением заполнены и полости теплопередающих кожухов.

В предлагаемом двигателе с внешним подводом теплоты рабочий цикл осуществляют следующим образом (см. фиг. 1).

Через трубчатый подогреватель 10 теплоту постоянно передают "горячим" сильфонам 1 и 2 через промежуточный теплоноситель, заполняющий теплоподводящий кожух 4, а через холодильник 9 отбирают избыточное тепло от "холодных" сильфонов 5 и 6 через промежуточный теплоноситель, заполняющий теплоотводящие кожухи 7 и 8. На фиг. 1 изображен момент достижения верхней "мертвой" точки, когда диафрагма 3 упирается в заплечики теплоподводящего кожуха 4, а шток 14 шатунами 19 поднят в верхнее крайнее положение, вследствие чего клапан 15 открывает клапанное гнездо 16 и сообщает между собой верхний рабочий объем сильфонов 5 и 1 с нижним оппозитным рабочим объемом сильфонов 2 и 6. В результате происходит газообмен и давление рабочего тела во всех переменных объемах становится равным но, так как в верхнем рабочем объеме большая часть р. т. находится в "холодном" сильфоне 5, а в нижнем рабочем объеме - в "горячем" сильфоне 2, то большее весовое количество р. т. находится в верхнем рабочем объеме. Сразу же после выравнивания давления р. т. , упругие силы сильфонов 1 и 2 опускают диафрагму 3 и седло садится на нижний конус клапана 15, разобщая верхний и нижний рабочие объемы друг от друга. При высоте кривошипно-шатунного механизма из верхней "мертвой" точки начинается рабочий ход, так как шток 14 движется вниз и "холодный" сильфон 5 вытесняет р. т. через регенератор 12, от которого оно отбирает ранее запасенное тепло в "горячий" сильфон 1, где его температура достигает максимального значения. Одновременно в оппозитном объеме "горячий" сильфон 2 вытесняет р. т. через регенератор 13, которому оно отдает свою теплоту, в "холодный" сильфон 6, где его температура понижается до минимального значения. Вследствие вышеизложенного в процессе опускания штока 14, давление в верхнем рабочем объеме растет, а в нижнем - падает. Газовая составляющая сила, возникшая вследствие этого, опускает шток 14 и приводит во вращение кривошип 17 силового механизма. По достижении нижней "мертвой" точки диафрагма 3 упирается в нижние заплечики теплопроводящего кожуха 4, а шток 14 с клапаном 15 опускается до крайнего нижнего положения, открывая клапанное гнездо 16, в результате чего вновь происходит газообмен и давление в нижнем и верхнем рабочих объемах становится одинаковым, т. е. повторяется описанный рабочий процесс только при движении штока снизу вверх.

Из изложенного следует, что в предлагаемом двигателе за один оборот вала 20 отбора мощности происходит два рабочих хода: вниз и вверх. При этом знакопеременное перетекание промежуточного теплоносителя в теплоотводящих кожухах 7 и 8 через холодильник 9 и в теплопроводящем кожухе 4 через подогреватель 10 интенсифицирует теплопередачу. Кроме того, расположение регенераторов во внутренних полостях сильфонов и объединение "горячих" сильфонов посредством диафрагмы резко сокращает габариты двигателя, а клапанное газораспределение снижает гидравлические потери.

Такое решение поставленной задачи позволит создать компактный, легкий и "всеядный" двигатель с высоким КПД.

(56) Авторское свидетельство СССР N 1134754, кл. F 02 G 1/04, 1983.

Использование: автономные энергетические установки и транспортные устройства. Сущность изобретения: двигатель содержит теплопередающие кожухи 4, 7 и 8, выполненные герметично и заполненные промежуточным теплоносителем, расположенные в них "холодные" 5, 6 и более крупные по размеру "горячие" 1 сильфоны, сообщенные друг с другом регенераторами 9, 10 и газораспределительным устройством, которое выполнено в виде клапанного гнезда 16, установленного в центре диафрагмы 3, разделяющей сильфоны, и двухстороннего клапана 15, выполненного на штоке 14, концы которого жестко закреплены на плоских крышках "холодных" сильфонов, и кинематически связанного с силовым механизмом двигателя 17 - 19. 3 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. ДВИГАТЕЛЬ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ, содержащий герметичные теплообменные кожухи, заполненные промежуточным теплоносителем, "холодные" сильфоны, снабженные плоскими крышками и размещенные в оппозитных теплоотводящих кожухах, "горячие" сильфоны, размещенные в центральном теплоподводящем кожухе, причем "холодные" сильфоны выполнены по диаметру меньшими, чем "горячие", и те и другие заполнены рабочим телом и сообщены между собой посредством регенераторов и газораспределительного устройства, отличающийся тем, что газораспределительное устройство выполнено в виде клапанного гнезда, размещенного в центре диафрагмы, разделяющей "горячие" сильфоны, и двустороннего клапана, взаимодействующего с гнездом и кинематически связанного с силовым механизмом. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что противоположные концы центрального теплоподводящего кожуха сообщены посредством трубчатого рециркуляционного нагревателя. 3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что оппозитные теплоотводящие кожухи сообщены друг с другом посредством трубчатого рециркуляционного холодильника. 4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что диаметр диафрагмы, разделяющей "горячие" сильфоны, больше внешнего диаметра сильфонов, но меньше внутреннего диаметра кожуха.