ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА Российский патент 1994 года по МПК F02G1/55 

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к двигателям, работающим по циклу Стирлинга, и может быть использовано в автономных установках систем навигации и систем жизнеобеспечения в труднодоступных районах, а также в аппаратах, длительное время находящихся под землей, в космическом пространстве и под водой.

Известен двигатель Стирлинга, содержащий по меньшей мере один цилиндр с установленным в нем вытеснителем и поршнем, отделяющим в цилиндре горячую и холодную полости, сообщенные между собой через нагреватель, регенератор и охладитель. Нагреватель двигателя Стирлинга выполнен трубчатым.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является двигатель Стирлинга, содержащий по меньшей мере один цилиндр с установленными в нем вытеснителем и поршнем, отделяющим в цилиндре горячую и холодную полости, сообщенные между собой через нагреватель, регенератор и охладитель. В этом двигателе нагреватель выполнен в виде диска с размещенными в нем радиальными профилированными каналами, разделенными на пары, в каждой из которых один канал выходит в горячую полость цилиндра и сообщен у периферии диска с другим каналом, выходящим в регенератор, причем каналы нагревателя выполнены в виде пазов, перекрытых при помощи вставок прямоугольного сечения.

Недостатком этого двигателя являются низкая эффективность нагревателя, обусловленная небольшой в отношении к общей поверхности канала поверхностью канала, обращенной к источнику теплоты, плохим подводом тепла по материалу нагревателя к внутренней поверхности канала вследствие небольшого расстояния между каналами, перекрытие одного канала другим и плохой подвод тепла по тонким перемычкам между каналами.

Целью изобретения является повышение КПД двигателя Стирлинга.

Поставленная цель достигается тем, что в двигателе Стирлинга, содеpжащем по меньшей мере один цилиндр с верхней крышкой, снабженной емкостью для размещения источника теплоты, вытеснительный и рабочий поршни, размещенные в цилиндре и разделяющие его объем на горячую полость, холодную полость и буферную полость, охладитель, регенератор и нагреватель, установленные последовательно в магистрали, соединяющей горячую и холодную полости, причем нагреватель выполнен в виде диска с размещенными в нем профилированными каналами, одна часть которых соединяет горячую полость с периферией диска, где сообщена с другой частью каналов, соединяющих периферию диска с регенератором, каналы нагревателя выполнены в виде усеченной по образующей цилиндрической трубы, обращенной большей своей поверхностью к источнику теплоты. С целью упрощения изготовления каналы нагревателя выполнены в виде отверстий, заполненных вставками, представляющими собой элемент, поперечное сечение которого представляет собой два полуцилиндра разного диаметра, соединенных по центру вращения.

Выполнение нагревателя двигателя Стирлинга в виде диска с размещенными в нем радиальными каналами, имеющими форму усеченной цилиндрической трубы, позволяет ориентировать каналы таким образом, что они обращены к источнику теплоты большей поверхностью. Кроме того, выполнение каналов нагревателя в виде усеченной цилиндрической трубы позволяет уменьшить число каналов за счет значительно развитой поверхности одного канала. Расстояние между каналами увеличивается и улучшается подвод тепла к другим поверхностям канала. Выполнение каналов нагревателя в виде усеченной по образующей цилиндрической трубы с помощью отверстий, заполненных вставками, позволяет сформировать канал любой ширины с развитой теплообменной поверхностью каналов, что позволяет уменьшить "мертвый" объем нагрева тел, тем самым увеличить степень сжатия и повысить КПД двигателя Стирглинга.

Технология изготовления каналов в виде усеченной по образующей цилиндрической трубы проста. В нагревателе, имеющем форму диска, сверлением изготавливаются отверстия, в которые устанавливаются вставки. Вставки изготавливаются из стержня диаметр которого равен диаметру отверстия, фрезерованием фасонной фрезой, имеющей профиль, диаметр которого равен диаметру малого полуцилиндра. Каналы нагревателя объединены по периферии кольцевым коллектором, который выполняется на токарном станке без использования каких-либо приспособлений.

Отличительные признаки заявляемого технического решения.

Нагреватель выполнен в виде диска с размещенными в нем каналами, имеющими форму усеченной по образующей цилиндрической трубы, обращенной большей поверхностью к источнику теплоты.

Каналы нагревателя выполнены в виде отверстий, заполненных вставками, представляющими собой элемент, поперечное сечение которого состоит из двух полуцилиндров разного диаметра, соединенных по центру вращения.

На фиг. 1 изображен двигатель Стирлинга в разрезе; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.

Двигатель Стирлинга содержит по меньшей мере один цилиндр 1 и установленные в нем вытеснитель 2 и поршень 3, отделяющие в цилиндре 1 горячую 4 и холодную 5 полости, сообщенные между собой через нагреватель 6, регенератор 7 и охладитель 8 полости. Поршень 3 снабжен штоком 9 для передачи движения приводному механизму (на чертежах не показан). Нагреватель 6 выполнен в виде диска с размещенными в нем радиальными каналами, разделенными на пары, в каждой из которых канал 10 выходит в горячую полость 4 цилиндра 1, а канал 11 выходит в регенератор 7. Причем каналы 10 и 11 каждой пары сообщены между собой у периферии диска нагревателя 6 и выполнены в виде отверстий, заполненных вставками 12. Для улучшения условий передачи тепла от источника теплоты (на чертежах не показан) к рабочему телу и упрощения технологии изготовления каналы 10 и 11 нагревателя 6 выполнены в виде усеченной по образующей цилиндрической трубы, обращенной большей поверхностью к источнику теплоты, с помощью вставок, представляющих собой элемент, поперечное сечение которого состоит из двух полуцилиндров разного диаметра, соединенных по центру вращения.

Двигатель Стирлинга работает следующим образом. Тепловая энергия передается от источника теплоты через поверхность Б нагревателя к нагревателю 6 и горячей полости 4 за счет теплопроводности материала нагревателя 6. При движении вытеснителя 2 вверх рабочее тело из горячей полости 4 через каналы 10 и 11 нагревателя 6, регенератор 7 и охладитель 8 перемещается в холодную полость 5 и охлаждается. Давление в цилиндре 1 при этом понижается, а поршень 3 за счет усилия, действующего на шток 9 от приводного механизма, перемещается в верхнее положение, осуществляя сжатие рабочего тела. После реверса вытеснитель 2 перемещается вниз. При этом рабочее тело из холодной полости 5 через охладитель 8, регенератор 7 и каналы 11 и 10 нагревателя 6 перемещается в горячую полость 4 и прогревается, а давление в цилиндре 1 повышается и воздействует на поршень 3, который под воздействием этого давления начинает двигаться вниз, совершая расширение рабочего тела и полезную работу, передаваемую через шток 9 приводному механизму. После реверса вытеснителя 2 к верхнему положению цикл повторяется.

Выполнение нагревателя в виде усеченной по образующей цилиндрической трубы, обращенной большей поверхностью к источнику теплоты, позволяет повысить эффективность двигателя Стирлинга за счет улучшения подвода тепла к каналу по материалу нагревателя, за счет увеличения поверхности канала, обращенной к источнику теплоты, за счет развития внутренней поверхности канала, а также за счет уменьшения "мертвого" объема нагревателя. Использование профилированных вставок позволяет упростить технологию изготовления двигателя Стрилинга. (56) Патент США N 3861146, кл. F 02 G 1/04, опублик. 1975.

Сущность изобретения: двигатель Стирлинга содержит цилиндр, вытеснительный и рабочий поршни, отделяющие в цилиндре горячую и холодную полости, сообщенные между собой через нагреватель, регенератор и охладитель. Нагреватель выполнен в виде диска с размещенными в нем радиальными каналами, имеющими форму усеченной по образующей цилиндрической трубы. Полезная мощность снимается с поршня через шток. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА, содержащий по меньшей мере один цилиндр с верхней крышкой, снабженной емкостью для размещения источника теплоты, вытеснительный и рабочий поршни, размещенные в цилиндре и разделяющие его объем на горячую полость, холодную полость и буферную полость, охладитель, регенератор и нагреватель, установленные последовательно в магистрали, соединяющей горячую и холодную полости, причем нагреватель выполнен в виде диска с размещенными в нем профилированными каналами, одна часть которых соединяет горячую полость с периферией диска, где сообщена с другой частью каналов, соединяющих периферию диска с регенератором, отличающийся тем, что каналы нагревателя выполнены в виде усеченной по образующей цилиндрической трубы, обращенной большей своей поверхностью к источнику теплоты. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что каналы нагревателя выполнены, например, в виде отверстий, заглушенных профилированными вставками.