ДВИГАТЕЛЬ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛА Российский патент 1994 года по МПК F03G7/06 

Изобретение относится к преобразованию тепловой энергии в механическую за счет тепловых деформаций термочувствительных твердых элементов и может быть использовано в качестве привода в различных областях народного хозяйства.

Известен тепловой двигатель (см. авт. св. N 1430586, кл. F 03 G 7/06, 1988), содержащий основание с нагревателем и охладителем, установленные с возможностью вращения на основании по разные стороны от нагревателя и охладителя ролики, обернутый вокруг роликов гибкий кольцевой рабочий элемент в виде винтовой пружины из материала с термомеханической памятью и звено отбора мощности, связанное с роликами механической передачей, выполненной с переменным передаточным отношением, причем диапазон относительного изменения ее передаточного отношения равен удвоенному значению предельной деформации рабочего элемента, а среднее значение передаточного отношения равно отношению радиусов роликов, расположенных по разные стороны от нагревателя.

Недостатком этого двигателя является невозможность получения достаточно больших крутящих моментов на вале отбора мощности.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является двигатель с внешним подводом тепла (см. авт. св. N 1509561, кл. F 03 G 7/06, 1989), содержащий корпус и ротор с двумя эксцентричными кольцами, связанный с выходным валом зубчатой передачей, выполненной в виде двух зубчатых венцов, введенных друг с другом во внутреннее зацепление, одно из колец выполнено в виде зубчатого венца передачи и втулки, связанных между собой термочувствительными элементами в виде тонкостенных лопаток, а второй зубчатый венец передачи выполнен на другом кольце и втулка выполнена в виде двух обручей, выполненных один в другом с зазором, на одном обруче выполнены осевые канавки, а на другом - выступы, взаимодействующие с канавками.

Недостатком этого двигателя является его малая надежность из-за передачи крутящего момента непосредственно через термочувствительные элементы с изгибающим моментом на них.

Целью изобретения является повышение надежности. Применение предложенного двигателя позволяет иметь простой и надежный двигатель с внешним подводом тепла с высоким КПД.

Цель достигается тем, что двигатель содержит основание, на котором размещены два ротора, связанные между собой термочувствительным элементом, каждый из которых состоит из барабана с внутренним зубчатым зацеплением и зубчатого венца, установленного на валу ротора, средство нагрева и охлаждения. Термочувствительный элемент выполнен в виде непрерывной ленты, обернутой вокруг барабанов, в которых центры зацеплений с зубчатыми венцами находятся в диаметрально противоположных сторонах от оси валов роторов и отстоят от прямой, проходящей через оси валов, на острый угол по дуге зубчатого венца барабанов, отсчитываемых для обоих барабанов в одном направлении, и снабжен средством сцепления ленты с рабочей поверхностью роторов, выполненным в виде постоянных магнитов, установленных одноименными полюсами на внешней стороне барабанов. При этом лента выполнена из магнитного материала, а на внешней стороне барабана нанесен слой из теплоизоляционного материала с отверстиями под выступы постоянных магнитов, высота которых равна толщине теплоизоляционного слоя. Лента выполняется толщиной 0,1-0,7 мм и при выполнении ее из немагнитного материала выполняется перфорированной, а на внешней стороне барабана в этом случае выполнены выступы под ее перфорацию.

На фиг. 1 схематично показан предложенный двигатель, вид вдоль оси вращения барабанов, с вырезом; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - связь барабанов с лентой по второму варианту выполнения двигателя.

Предложенный двигатель содержит основание 1, два ротора 2, 3, составными частями которых являются соответственно барабаны 4 и 5, оси которых параллельны, а цилиндрические поверхности выполнены с жестко закрепленными на них постоянными магнитами 6, радиально ориентированными полюсами N или S в одну сторону. Барабаны 4 и 5 находятся в основании 1 соответственно в подшипниках 7 и 8 и связаны друг с другом обернутой вокруг них непрерывной лентой 9 толщиной 0,1-0,7 мм из металла с большим коэффициентом линейного теплового расширения и большими магнитными свойствами, например из стали. Внутри барабанов 4 и 5 находятся соответственно зубчатые венцы 10 и 11, являющиеся составными частями соответственно роторов 2 и 3 и находящиеся в основании 1 соответственно в подшипниках 12 и 13, а соответственно с барабанами 4 и 5 - во внутреннем зубчатом зацеплении через выполненные внутри них соответственно зубчатые венцы 14 и 15. Количество зубьев зубчатых венцов 14 и 15 на 1-5 зубьев больше количества зубьев соответственно зубчатых венцов 10 и 11. Модуль зубьев этих зубчатых зацеплений равен 0,5-7 мм. Полюса Р₁ и Р₂ зацеплений соответственно зубчатых венцов 14 и 15 находятся диаметрально в разных сторонах от оси соответственно барабана 4 и барабана 5 и отстоят от прямой, проходящей через эти оси, на угол α, равный 5-40^о, измеряемый в одном направлении по окружности зубчатых венцов 14 и 15. Участок 16 ленты 9 между барабанами 4 и 5 помещен в нагреватель 17, например, выполненный (на чертеже не показано) в виде генератора тепла, открытое пламя которого контактирует с лентой 9. Другой участок 18 ленты 9 между барабанами 4 и 5 помещен в охладитель 19, например, выполненный (на чертеже не показано) в виде компрессора, от которого поступающий поток окружающего воздуха контактирует с лентой 9. Выходной вал 20 двигателя может быть связан с любой из осей барабана 4 или 5, или зубчатого венца 10 или 11. На чертеже это ось барабана 4. По второму варианту выполнения двигателя связь ленты 9 (в этом случае она может быть выполнена и не из магнитного материала) с барабанами 4 и 5 через постоянные магниты 6 заменена на связь через выступы 21, равномерно выполненные по окружности на цилиндрической поверхности барабанов 4 и 5, которыми они взаимодействуют с лентой 9 через соответственно выполненные на ленте 9 отверстия 22, в которые входят выступы 21. Магниты 6 от ленты 9 и барабанов 4 и 5 изолированы слоем 23 теплоизоляционного материала, например асбеста.

Предложенный двигатель работает следующим образом.

При запуске двигателя вначале приводится во вращение вал 20 вместе с барабанами 4 и 5 и зубчатыми венцами 10 и 11, синхронность вращения которых обеспечивается соответственно движущейся лентой 9, проскальзывание которой по барабанам 4 и 5 предотвращается: по первому варианту выполнения двигателя - постоянными магнитами 6, а по второму - выступами 21 и отверстиями 22, например, стартером (на чертеже не показан). Затем включаются в работу нагреватель 17 и охладитель 19. Вращение вала 20 стартером (на фиг. 1 показано стрелкой) должно совпадать с направлением отсчета угла α, так как оно совпадает с направлением крутящих моментов на баpабанах 4 и 5, возникающих от их взаимодействия через зубчатое зацепление с соответственно зубатыми венцами 10 и 11 от теплового расширения ленты 9 на участке 16 и теплового сжатия на участке 18 ленты 9. Крутящий момент одного направления на обоих барабанах 4 и 5 возникает из-за совокупности натяжений ленты 9 на участках 16 и 18 при разности их нагрева соответственно в нагревателе 17 и охладителе 19 с таким положением полюсов Р₁ и Р₂ зацеплений, так как именно при этом тангенциальные составляющие от взаимодействия зубьев в обоих зубчатых зацеплениях, расположенные по обе стороны от полюсов Р₁ и Р₂ зацеплений, имеют равнодействующую, создающую этот крутящий момент, направленную в обоих зубчатых зацеплениях в одну сторону, из-за того, что и радиальные составляющие взаимодействия этих зубьев там же больше из-за большего сближения с ними по направлению усилий от разности тепловых натяжений ленты 9 на участках 16 и 18. Тепловое расширение барабанов 4 и 5 при работе двигателя обеспечивает достаточную разность натяжений ленты 9 на участках 16 и 18 и достаточное увеличение расстояний между выступами 21 в соответствии с увеличением расстояний между отверстиями 22 от теплового удлинения ленты 9 по второму варианту выполнения двигателя. По первому варианту выполнения двигателя слой 23, например, из асбеста хорошо предотвращает переход тепла на постоянные магниты 6, магнитные свойства которых от нагрева уменьшаются. Часть же магнитов 6, обращенная внутрь барабанов 4 и 5, не имеет слоя 23 и поэтому через эту часть медленно проникающее через слой 23 тепло в магнит 6 уходит в окружающую среду, позволяя магнитам 6 иметь достаточно низкую температуру их нагрева. То обстоятельство, что чем меньше скорость движения ленты 9, тем больше разность нагрева ленты 9 на участках 16 и 18, которая в свою очередь прямо пропорциональна величине крутящего момента, обеспечивает автоматическое увеличение крутящего момента на валу 20 при увеличении момента сопротивления на валу 20 со стороны транспортного средства или агрегата, сообщаемого с двигателем (на чертеже не показано), приводящего к уменьшению скорости движения ленты 9. При остановке двигателя вначале отключается нагреватель 17, а затем после достаточного остывания барабанов 4 и 5 останавливаются вал 20 и охладитель 19. Это позволяет предотвратить вредные натяжения ленты 9, так как скорость остывания ленты 9 значительно больше скорости остывания барабанов 4 и 5. (56) Авторское свидетельство СССР N 1222882, кл. F 03 G 7/06, 1986.

Авторское свидетельство СССР N 1509561, кл. F 03 G 7/06, 1989.

Использование: энергетическое машиностроение, в частности тепловые двигатели, работающие за счет теплового расширения твердых тел. Сущность изобретения: устройство содержит основание, на котором размещены два ротора, соединенные между собой термочувствительным элементом, выполненным в виде непрерывной ленты, обернутой вокруг барабанов, в которых центры зацеплений с зубчатыми венцами находятся в диаметрально противоположных сторонах от оси валов роторов и отстоят от прямой, проходящей через оси валов, на угол 5 - 40 по дугам зубчатых венцов барабанов, отсчитываемых для обоих барабанов в одном направлении, и снабжено средством сцепления лены с рабочей поверхностью роторов, выполненное в виде постоянных магнитов, установленных одноименными полюсами на внешней стороне барабана. Приводная лента выполнена перфорированной из немагнитного материала, а на внешней стороне барабанов - выступы под ее перфорацию. Возможно выполнение ленты из магнитного материала, на внешнюю сторону барабанов нанесен слой из теплоизоляционного материала с отверстиями под выступы постоянных магнитов, высота которых равна толщине теплоизоляционного слоя, причем толщина ленты выполнена в пределах 0,1 - 0,7 мм. 4 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. ДВИГАТЕЛЬ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛА, содержащий основание, на котором размещены два ротора, соединенных термочувствительным элементом, каждый из которых состоит из барабана с внутренним зубчатым зацеплением и зубчатого венца, установленного на валу ротора, средство нагрева и охлаждения, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, термомеханический элемент выполнен в виде непрерывной ленты, обернутой вокруг барабанов, в которых центры зацеплений с зубчатыми венцами находятся в диаметрально противоположных сторонах от оси валов роторов и отстоят от прямой, проходящей через оси валов, на угол 5 - 40^o по дуге зубчатого венца барабанов, отсчитываемых для обоих барабанов в одном направлении, и снабжен средством сцепления ленты с рабочей поверхностью роторов, выполненным в виде постоянных магнитов, установленных одноименными полюсами на внешней стороне барабана. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что приводная лента выполнена перфорированной из немагнитного материала, а на внешней стороне барабана выполнены выступы под ее перфорацию. 3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что приводная лента выполнена из магнитного материала. 4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что на внешней стороне барабана нанесен слой из теплоизоляционного материала с отверстиями под выступы постоянных магнитов, высота которых равна толщине теплоизоляционного слоя. 5. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что толщина ленты выполнена в пределах 0,1 - 0,7 мм.