ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА Российский патент 1995 года по МПК F02G1/55 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к миниатюрным двигателям, работающим по циклу Стирлинга, и может быть использовано в медицине для привода насоса крови, в автономных энергетических установках систем навигации и систем жизнеобеспечения в труднодоступных районах, на космических и подводных аппаратах, длительное время работающих без участия человека.

Известны двигатели [1] работающие по замкнутому регенеративному циклу Стирлинга, содержащие цилиндр, разделенный вытеснителем на две полости: горячую, примыкающую к нагревателю, и холодную, примыкающую к охладителю, сообщенные между собой через регенератор, и рабочий цилиндр, разделенный поршнем на две камеры: надпоршневую, сообщенную с холодной полостью цилиндра, и подпоршневую. Так как эти двигатели миниатюрны, то для уменьшения "мертвого" объема в качестве теплообменников использован кольцевой зазор между стенками цилиндра и вытеснителя.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является двигатель Стирлинга [2] который содержит по меньшей мере один цилиндр и установленные в нем пустотелый вытеснитель и поршень, разделяющие объем цилиндра на горючую и холодную полости, сообщенные между собой через нагреватель, регенератор и охладитель. В этом двигателе Стирлинга функции нагревателя, регенератора и охладителя также могут выполнять стенки цилиндра и вытеснителя и кольцевой зазор между ними.

Недостатком такого двигателя является его низкий КПД из-за низкой эффективности теплообменников. При движении вытеснителя к верхнему положению рабочее тело из горячей полости через нагреватель, pегенеpатоp и охладитель перемещается в холодную полость и охлаждается. При прохождении по кольцевому зазору между вытеснителем и цилиндром рабочее тело отдает некоторое количество теплоты стенкам цилиндра и вытеснителя, которые выполняют роль регенератора. При прохождении через охладитель часть теплоты от рабочего тела отводится в охлаждающую среду. Ввиду того, что поверхности регенератора и охладителя невелики (цилиндр и вытеснитель имеют гладкие цилиндрические поверхности), то рабочее тело попадает в холодную полость с повышенной температурой. При движении вытеснителя к нижнему положению рабочее тело из холодной полости через теплообменники щелевого типа перемещается в горячую полость и прогревается. Но из-за небольшой поверхности теплообмена рабочее тело попадает в горячую полость с пониженной температурой. Таким образом малая поверхность теплообменников уменьшает градиент температур между горячей и холодной полостями, что и приводит к уменьшению перепада давления в цилиндре двигателя, уменьшению индикаторной и выходной мощности, а следовательно, и к снижению КПД двигателя Стирлинга. Кроме того, при прохождении рабочим телом кольцевого зазора между цилиндром и вытеснителем теплообмен между рабочим телом и стенками цилиндра и вытеснителя происходит в слоях рабочего тела, непосредственно примыкающих к стенкам цилиндра и вытеснителя, а остальная, т. е. средняя часть потока рабочего тела практически не участвует в теплообмене между рабочим телом и стенками цилиндра и вытеснителя из-за того, что в кольцевом зазоре не происходит перемешивания рабочего тела и поэтому рабочее тело попадает в холодную полость с повышенной температурой, а в горячую полость с пониженной температурой. Таким образом, за счет гладких поверхностей цилиндра и вытеснителя в кольцевом зазоре между стенками цилиндра и вытеснителя не происходит перемешивания рабочего тела, что приводит к снижению коэффициента теплоотдачи между рабочим телом и стенками цилиндра и вытеснителя, уменьшению индикаторной и выходной мощности, а следовательно, и снижению КПД двигателя Стирлинга.

Целью изобретения является повышение КПД двигателя Стирлинга за счет увеличения поверхности теплообмена и повышения коэффициента теплоотдачи между рабочим телом и стенками цилиндра и вытеснителя.

Поставленная цель достигается тем, что в известном двигателе Стирлинга, содержащем по меньшей мере один цилиндр и установленные в нем пустотелый вытеснитель и поршень, разделяющие объем цилиндра на горячую и холодную полости, сообщенные между собой через нагреватель, регенератор и охладитель, вытеснитель снабжен выступами, расположенными на его наружной боковой поверхности в шахматном порядке с зазором по отношению к цилиндру и имеющими форму простой геометрической фигуры (прямоугольник, параллелограмм, треугольник, круг, овал). Вытеснитель выполнен из жаропрочного титанового сплава и заполнен ксеноном.

На фиг. 1 изображен предлагаемый двигатель с перфорированными выступами на наружной боковой поверхности вытеснителя круглой формы, разрез; на фиг.2 вариант выполнения двигателя с выступами вытеснителя прямоугольной формы; на фиг.3 и 4 варианты выполнения двигателя с выступами вытеснителя, выполненными в виде параллелограмма; на фиг.5 то же, с выступами вытеснителя треугольной формы.

Двигатель содержит по меньшей мере один цилиндр 1 и установленные в нем пустотелый вытеснитель 2 и поршень 3, разделяющие объем цилиндра 1 на горячую 4 и холодную 5 полости, сообщенные между собой через нагреватель 6, регенератор 7 и охладитель 8, функции которых выполняют стенки цилиндра 1 и вытеснителя 2 и зазор между ними. Поршень 3 снабжен штоком 9 для передачи движения приводному механизму (не показан). Вытеснитель 2 снабжен равномерно расположенными на его наружной боковой поверхности выступами 10, выполненными заодно с вытеснителем 2 и зазором по отношению к цилиндру 1. Выступы 10 вытеснителя 2 могут быть выполнены круглой (фиг.1), треугольной или любой другой произвольной формы. Для упрощения технологии изготовления выступы 10 вытеснителя 2 выполнены прямоугольной или квадратной формы (фиг.2), а также в виде параллелограмма или ромба (фиг.3 и 4) или треугольной формы (фиг.5), т. е. получены путем механической обработки на токарном станке без использования каких-либо приспособлений. Выступы 10 вытеснителя 2 можно получить и путем нарезания на наружной поверхности вытеснителя любых многозаходных резьб в разных направлениях, т.е. правосторонних и левосторонних. Точно такие же выступы можно получить и выполнить и на внутренней поверхности цилиндра 1. Для уменьшения тепловых потерь из горячей полости 4 в холодную 5 за счет теплопроводности вытеснитель 2 выполнен из материала с низким коэффициентом теплопроводности, например, из жаропрочных титановых сплавов типа ВТ 18. Для уменьшения тепловых потерь из горячей полости 4 в холодную 5 за счет конвекции вытеснитель 2 заполнен газом с низким коэффициентом теплопроводности, например ксеноном.

Двигатель работает следующим образом.

Теплота подводится к нагревателю 6 и горючей полости 4 и отводится от охладителя 8 и холодной полости 5. При движении вытеснителя 2 вверх рабочее тело из горячей полости 4 через нагреватель 6, регенератор 7 и охладитель 8, т. е. через каналы между выступами 10 и зазоры между цилиндром 1 и вытеснителем 2, 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 (не показан), 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 нагреватель 6, т.е. между выступами 10 вытеснителя 2 и цилиндром 1, перемещается в горячую полость 4 и прогревается. Давление в цилиндре 1 при этом повышается и воздействует на поршень 3, который под действием этого давления начинает двигаться к нижнему положению, совершая расширение рабочего тела и полезную работу, передаваемую через шток 9 приводному механизму (не показан). После реверса вытеснителя 2 к верхнему положению цикл повторяется.

Наличие равномерно расположенных на наружной боковой поверхности вытеснителя выступов, выполненных заодно с вытеснителем и с зазором по отношению к цилиндру, позволяет повысить КПД двигателя не только за счет увеличения поверхности теплообмена, но и за счет увеличения коэффициента теплоотдачи между рабочим телом и стенками цилиндра и вытеснителя путем турбулизации и перемешивания рабочего тела в зазоре между цилиндром и вытеснителем. Использование материала с низким коэффициентом теплопроводности для изготовления вытеснителя позволяет сократить тепловые потери из горячей полости в холодную за счет теплопроводности, а использование газа с низким коэффициентом теплопроводности для заполнения вытеснителя позволяет сократить тепловые потери из горячей полости в холодную за счет конвекции.

Сущность изобретения: двигатель содержит цилиндр 1 и установленные в нем вытеснитель 2 и поршень 3, разделяющие объем цилиндра 1 на горячую 4 и холодную 5 полости, сообщенные между собой через нагреватель 6, регенератор 7 и охладитель 8. Поршень 3 снабжен штоком 9 для передачи движения приводному механизму. Вытеснитель 2 снабжен равномерно расположенными на его наружной боковой поверхности перфорированными выступами 10, выполненными заодно с вытеснителем 2 и с зазором по отношению к цилиндру 1 и позволяющими увеличить поверхность теплообмена и коэффициент теплоотдачи между рабочим телом и стенками цилиндра 1 и вытеснителя 2. 7 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА, содержащий по меньшей мере один цилиндр и установленные в нем пустотелый вытеснитель и поршень, отделяющие в цилиндре горячую и холодную полости, сообщенные между собой через нагреватель, регенератор и охладитель, при этом вытеснитель выполнен из материала с низким коэффициентом теплопроводности, а внутренняя полость его заполнена газом, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, вытеснитель снабжен выступами, расположенными на наружной боковой поверхности в шахматном порядке с зазором по отношению к цилиндру и имеющими форму простой геометрической фигуры. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что вытеснитель выполнен из жаропрочного титанового сплава. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что внутренняя полость вытеснителя заполнена ксеноном. 4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что выступы имеют форму прямоугольника. 5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что выступы имеют форму параллелограмма. 6. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что выступы имеют форму треугольника. 7. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что выступы имеют форму круга. 8. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что выступы имеют форму овала.