ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1996 года по МПК F03G7/06 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к тепловым двигателям, в которых для перемещения нагрузки используются тепловые деформации твердых рабочих элементов, обладающих свойством термомеханической памяти формы, и может быть использовано для привода различных механизмов, например, в робототехнике, аппаратостроении.

Известный роторный мартенситный двигатель [1] содержащий корпус, внутренний и внешний диски, установленные с возможностью вращения вокруг несовпадающих осей и соединенные рабочими телами, зона нагрева представляет собой резервуар с жидким горячим теплоносителем, зона охлаждения полость в корпусе, присоединенную к источнику холодного газа. Общим с предлагаемым изобретением признаком является такое конструктивное исполнение механизма деформирования, при котором обеспечивается изменение направления деформирования рабочих элементов на противоположное в каждом последующем цикле.

Однако в известном устройстве одна из температурных зон выполнена в виде полости, присоединенной к источнику холодного газа, что значительно уменьшает частоту срабатывания материала рабочих элементов и как следствие устройство обладает недостаточно высокой мощностью.

Известен тепловой двигатель [2] содержащий корпус, четыре цилиндра, в которых происходит циркуляция жидких теплоносителей, выполненных изогнутыми в середине под прямым углом и соединенных четырьмя штоками, каждый из которых имеет с одного конца сплошной поршень, а с другого сквозной. Оси всех цилиндров и штоков расположены в одной плоскости с образованием квадрата. Между каждым сквозным поршнем и внутренней стенкой соответствующего цилиндра в месте изгиба закреплены рабочие элементы. Общим с изобретением признаком является возможность теплообмена между рабочими элементами и жидкими теплоносителями.

Тепловой двигатель [2] является лучшим по техническим характеристикам, найденным в научной и патентной литературе, заявленным на территории СССР техническим решением. Поэтому он был принят в качестве базового объекта.

Технико-экономическая эффективность теплового двигателя по отношению к базовому объекту, характеризующему мировой уровень техники в этом классе двигателей, в качестве которого принят тепловой двигатель [2] заключается в более высокой мощности двигателя за счет обеспечения знакопеременного деформирования рабочих элементов.

Недостатком известного двигателя является невысокая мощность ввиду отсутствия знакопеременного деформирования рабочих элементов.

Предлагаемый тепловой двигатель свободен от этого недостатка. Многосекционный механизм деформирования обеспечивает знакопеременное нагружение рабочих элементов и одновременно перенос их из одной температурной зоны в другую.

Известен мартенситный двигатель [3] наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому устройству, содержащий корпус с зонами нагрева и охлаждения, многосекционный механизм деформирования, обеспечивающий знакопеременное нагружение рабочих элементов и включающий расположенные в параллельных плоскостях цилиндрические зубчатые пары с передаточным отношением, равным 1, связанные между собой планками для закрепления концов рабочих элементов, узел отбора мощности, вал синхронизации работы секций, связанный с секциями посредством механических передач, и механические распределители с ограничителями их поворота. Общим с предлагаемым изобретением признаком является такое конструктивное исполнение механизма деформирования, при котором обеспечивается изменение направления деформирования рабочих элементов на противоположное в каждом последующем цикле.

Недостатком известного мартенситного двигателя является выполнение зоны охлаждения в виде полости в корпусе, присоединенной к источнику холодного газа, что значительно замедляет теплообмен между рабочими элементами и газом, т.е. уменьшает частоту срабатывания устройства и, как следствие, устройство обладает недостаточно высокой мощностью.

В известном мартенситном двигателе, содержащем корпус с зонами нагрева и охлаждения, многосекционный механизм деформирования, обеспечивающий знакопеременное нагружение рабочих элементов из материала, обладающего свойством термомеханической памяти формы, и включающий расположенные в параллельных плоскостях две цилиндрические зубчатые пары с передаточным отношением, равным 1, связанные между собой не совпадающей с осью зубчатых колес планкой с укрепленными на ней рабочими элементами, вал синхронизации работы секций, связанный с секциями посредством механических передач, узел отбора мощности, температурные зоны выполнены в виде резервуаров, заполненных жидким теплоносителем и расположенных поочередно по периметру корпуса, при этом в центре последнего вертикально установлен с возможностью вращения выходной вал, кроме того, устройство дополнительно снабжено горизонтально расположенными валами синхронизации работы секций, установленными одними концами в опорах, жестко закрепленных на выходном валу и расходящимися от него в виде лучей, а другими концами в опорах, установленных с возможностью перемещения по внешнему краю резервуаров, каждый вал синхронизации работы секций связан посредством жестко закрепленного на нем конического зубчатого колеса с жестко закрепленным в корпусе в горизонтальном положении коническим зубчатым колесом, каждая секция шарнирно закреплена на соответствующем ей валу синхронизации работы секций и выполнена в виде рамы с установленными в ней двумя парами зубчатых колес, каждое зубчатое колесо одной пары жестко связано с находящимся напротив зубчатым колесом другой пары планкой, между планками шарнирно закреплены рабочие элементы, каждая рама снабжена роликом, установленным с возможностью движения по направляющей через границы зон нагрева и охлаждения, а число границ зон нагрева и охлаждения связано с передаточным отношением между цилиндрическими зубчатыми парами секций и выходным валом соотношением n 4i, где n число границ зон нагрева и охлаждения, i передаточное отношение.

Сопоставимый анализ с прототипом [3] показывает, что предлагаемое устройство отличается новой совокупностью конструктивных решений выходного вала и связанных с ним коническими зубчатыми передачами валов синхронизации работы шарнирно закрепленных на них секций, что позволяет повысить мощность двигателя за счет увеличения частоты срабатывания материала рабочих элементов вследствие их переноса из резервуара с одним жидким теплоносителем в резервуар c другим жидким теплоноcителем.

При сравнении предлагаемого решения не только с прототипом, но и с другими известными техническими решениями не обнаружены решения, обладающие сходными признаками. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "новизна".

Предлагаемая конструкция позволяет повысить мощность двигателя вследствие увеличения частоты циклов срабатывания материала рабочих элементов за счет введения в нее механизма переноса рабочих элементов из одной температурной зоны в другую, выполненного в виде установленного в центре вертикально с возможностью вращения выходного вала, связанного посредством зубчатого планетарного механизма с горизонтально расположенными и расходящимися от него в виде лучей валами, на которых шарнирно закреплены секции с рабочими элементами.

Данные преобразования, характеризуемые отличительными от прототипа описанными существенными признаками, не следуют явным образом из известного уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлена конструктивная схема предлагаемого двигателя; на фиг. 2 то же, вид сверху; на фиг.3 расположение планок и рабочих элементов в положении после совершения полного цикла работы двигателя или после четвертого такта; на фиг.4 то же, после совершения первого такта работы; на фиг.5 то же, после совершения второго такта; на фиг.8 то же, после совершения третьего такта.

Двигатель содержит корпус 1 с зонами 2 и 3 нагрева и охлаждения соответственно, выполненными в виде резервуаров с жидкими теплоносителями. В опорах корпуса 1 вертикально установлен выходной вал 4 с возможностью вращения. В опорах 5, жестко закрепленных на выходном валу 4, установлены одними концами горизонтально расположенные валы 6 синхронизации работы секций (СРС), расходящиеся от выходного вала 4 в виде лучей и находящиеся другими концами в опорах 7, установленных с возможностью перемещения по внешнему краю резервуаров. Каждый вал СРС 6 связан посредством жестко закрепленного на нем конического зубчатого колеса 8 с жестко закрепленным в корпусе 1 в горизонтальном положении коническим зубчатым колесом 9. На каждом валу СРС 6 шарнирно закреплена секция, выполненная в виде рамы 10 с установленными в ней двумя парами 11 и 12 цилиндрических зубчатых колес с передаточным отношением, равным 1. Каждое зубчатое колесо одной пары 11 или 12 жестко связано с соответствующим ему зубчатым колесом другой пары 12 или 11 планкой 13. На планках 13 шарнирно закреплены рабочие элементы 14, обладающие свойством термомеханической памяти формы. Валы СРС 6 связаны с цилиндрическими зубчатыми парами 11 и 12 секций механическими передачами 15, например цепными. Каждая рама 10 снабжена роликом 16, установленным с возможностью движения по направляющей 17 через границы 18 зон 2, 3 нагрева и охлаждения.

Двигатель работает следующим образом.

Весь процесс можно разбить на четыре поочередно повторяющихся такта, причем, если рабочие элементы 14 выполнены в виде стержней или пластин, то их нейтральное недеформированное состояние будет соответствовать U-образной форме, а при сжатии и растяжении рабочие элементы 14 будут деформироваться соответственно с увеличением изгиба и с выпрямлением.

Полный термодеформационный цикл может происходить либо за полный оборот выходного вала 4 при наличии двух резервуаров с жидкими теплоносителями, каждый из которых охватывает сектор 180', т.е. при переносе рабочих элементов 14 через две границы 18 температурных зон 2 и 3 (зона охлаждения зона нагрева, зона нагрева зона охлаждения), либо за половину оборота выходного вала 4 при наличии четырех резервуаров, каждый из которых охватывает сектор 90', т. е. при переносе рабочих элементов 14 через четыре границы температурных зон 2 и 3, либо за треть оборота выходного вала 4 при наличии шести резервуаров, каждый из которых охватывает сектор 60', т.е. при переносе рабочих элементов 14 через шесть границ 18 температурных зон 2 и 3 и т.д.

В каждом такте поворот колес в зубчатых парах 11 и 12 на 90' вызывает либо деформирование рабочих элементов 14, либо восстановление их исходной формы. В то же время выходной вал 4 должен перенести рабочие элементы 14 через резервуар, соответствующий либо зоне охлаждения 3, либо зоне нагрева 2. Таким образом, передаточное отношение (i) между цилиндрическими зубчатыми парами 11 и 12 секций и выходным валом 4 зависит от величины сектора, занимаемого каждым резервуаром, или от числа границ (n) 18 зон нагрева 3 и охлаждения 2 и связано соотношением n 4 i.

Рассмотрим работу одной из секций. За исходное возьмем, например, такое положение зубчатых колес в цилиндpических зубчатых парах 11 и 12, при котором планки 13 одновременно находятся в верхнем положении, а рабочие элементы не деформированы (см. фиг.3).

В первом такте при повороте выходного вала 4 на угол, равный сектору 3 резервуара с холодным жидким теплоносителем, ролик 16 рамы 10, двигаясь по направляющей 17, обеспечивает за счет шарнирного соединения рамы 10 на валу СРС 6 вход рамы 10 вместе с рабочими элементами 14 в холодный жидкий теплоноситель после пересечения границы 18 (зона нагрева зона охлаждения) и выход из теплоносителя перед границей 18 (зона охлаждения зона нагрева). При этом поворот зубчатых колес в цилиндрических зубчатых парах 11 и 12 обеспечивает удаление планок 13 на максимальное расстояние друг от друга, т.е. происходит растяжение рабочих элементов 14 в условиях происходящего в них прямого мартенситного превращения (см. фиг.4).

Во втором такте при повороте выходного вала 4 на угол, равный сектору 2 резервуара с горячим жидким теплоносителем, ролик 16 рамы 10, двигаясь по направляющей 17, обеспечивает за счет шарнирного соединения рамы 10 на валу СРС 6 вход рамы 10 вместе с рабочими элементами 14 в горячий жидкий теплоноситель после пересечения границы 18 (зона охлаждения зона нагрева) и выход из теплоносителя перед границей 18 (зона нагрева зона охлаждения). При этом поворот зубчатых колес в цилиндрических зубчатых парах 11 и 12 приводит планки 13 в нижнее положение, а рабочие элементы 14 в недеформированное состояние, т.е. происходит восстановление формы рабочими элементами 14 в условиях происходящего в них обратного мартенситного превращения (см. фиг.5).

В третьем такте при повороте выходного вала на угол, равный сектору 3 резервуара с холодным жидким теплоносителем, ролик 16 рамы 10, двигаясь по направляющей 17, обеспечивает за счет шарнирного соединения рамы 10 на валу СРС 6 вход рамы 10 вместе с рабочими элементами 14 в холодный жидкий теплоноситель после пересечения границы 18 (зона нагрева зона охлаждения) и выход из теплоносителя перед границей 18 (зона охлаждения зона нагрева). При этом поворот зубчатых колес в цилиндрических зубчатых парах 11 и 12 обеспечивает сближение планок 13 на минимальное расстояние друг от друга, т.е. происходит сжатие рабочих элементов 14 в условиях происходящего в них прямого мартенситного превращения (см. фиг.6).

В четвертом такте при повороте выходного вала 4 на угол, равный сектору 2 резервуара с горячим жидким теплоносителем, ролик 16 рамы 10, двигаясь по направляющей 17, обеспечивает за счет шарнирного соединения рамы 10 на валу СРС 6 вход рамы 10 вместе с рабочими элементами 14 в горячий жидкий теплоноситель после пересечения границы 18 (зона охлаждения зона нагрева) и выход из теплоносителя перед границей 18 (зона нагрева зона охлаждения). При этом поворот зубчатых колес в цилиндрических зубчатых парах 11 и 12 приводит планки 13 в верхнее положение, а рабочие элементы 14 в недеформированное состояние, т.е. происходит восстановление формы рабочими элементами 14 в условиях происходящего в них обратного мартенситного превращения (см. фиг.3). Элементы конструкции пришли в исходное положение. Далее описанный цикл может быть многократно повторен.

Вращение выходного вала 4 осуществляется за счет сил, возникающих во втором и четвертом тактах в условиях обратного мартенситного превращения, протекающего в материале рабочих элементов 14, и стремящихся вернуть исходную форму рабочих элементов 14, деформированных в первом и третьем тактах.

При отсутствии маховика на выходном валу 4 двигатель оказывается неработоспособным ввиду отсутствия сил для деформирования рабочих элементов 14 в первом и третьем тактах. При установке в двигатель 2n секций, когда первый или третий такты одной секции совпадают по времени со вторым или четвертым тактом другой секции, могут возникнуть "мертвые" положения при переходе рабочими элементами 14 границ 18 температурных зон 2 и 3. Для постоянной и автономной работы двигателя без маховика необходима установка 2n + 1 и более секций.

Использование: энергетика. Сущность изобретения: в центре двигателя установлен вертикально с возможностью вращения вал 5, связанный посредством зубчатого планетарного механизма с горизонтально расположенными и расходящимися от него в виде лучей валами 6, на которых шарнирно закреплены секции 2, 3. Каждая секция выполнена в виде рамы 10 с установленными в ней двумя цилиндрическими зубчатыми парами 11, 12, связанными планками 13 с укрепленными на них рабочими элементами 14. 6 ил.

ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий корпус с зонами нагрева и охлаждения, многосекционный механизм деформирования, обеспечивающий анакопеременное нагружение рабочих элементов из материала, обладающего свойством термомеханической памяти формы, и включающий расположенные в параллельных плоскостях две цилиндрические зубчатые пары с передаточным отношением 1, связанные между собой не совпадающей с осью зубчатых колес планкой с укрепленными на ней рабочими элементами, вал синхронизации работы секций, связанный с секциями посредством механических передач, узел отбора мощности, отличающийся тем, что температурные зоны выполнены в виде резервуаров, заполненных жидким теплоносителем и расположенных поочередно по периметру корпуса, при этом в центре последнего вертикально установлен с возможностью вращения выходной вал, кроме того, двигатель дополнительно снабжен горизонтально расположенными валами синхронизации работы секций, установленными одними концами в опорах, жестко закрепленных на выходном валу, и расходящимися от него в виде лучей, а другими концами - в опорах, установленных с возможностью перемещения по внешнему краю резервуаров, каждый вал синхронизации работы секций связан посредством жестко закрепленного на нем конического зубчатого колеса с жестко закрепленным в корпусе в горизонтальном положении коническим зубчатым колесом, каждая секция шарнирно закреплена на соответствующем ей валу синхронизации работы секций и выполнена в виде рамы с установленными в ней двумя парами зубчатых колес, каждое зубчатое колесо одной пары жестко связано с находящимся напротив зубчатым колесом другой пары планкой, между планками шарнирно закреплены рабочие элементы, каждая рама снабжена роликом, установленным с возможностью движения по направляющей через границы зон нагрева и охлаждения, а число границ зон нагрева и охлаждения связано с передаточным отношением между цилиндрическими зубчатыми парами секций и выходным валом соотношением n = 4 • i, где n - число границ зон нагрева и охлаждения, i - передаточное отношение.