ДВИГАТЕЛЬ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛА (СТИРЛИНГА) Российский патент 1997 года по МПК F02G1/04 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двигателям с внешним подводом тепла (двигателям Стирлинга).

Известны двигатели с внешним подводом тепла, содержащие блок, выполненный в виде полого корпуса с цилиндрической внутренней поверхностью, газопроницаемый разделительный элемент с регенератором, установленный с возможностью качания в полости корпуса с образованием в ней холодной и горячей камер, и рабочий цилиндр, исполнительный элемент которого кинематически связан с рабочим валом и с приводом качания разделительного элемента, а полость
сообщена с полостью корпуса (патент США N 4488402, кл. F 02 G 1/04, 1984). В известном двигателе полость корпуса в поперечном сечении выполнена полукруглой, а ось качания расположена в средней части плоской стенки корпуса. Такое выполнение корпуса для двигателей с высоким рабочим давлением требует дополнительных конструктивных мероприятий для повышения прочностных характеристик стенок корпуса, в частности, применения тяжелых опорных конструкций для усиления плоской стенки корпуса. Кроме того, в известном двигателе рабочий цилиндр попеременно сообщается с горячей и холодной камерами полости корпуса, что снижает надежность работы всего двигателя, и в частности, его разделительного элемента из-за ухудшения условий работы его торцового уплотнения.

Цель иобретения повышение надежности работы двигателя и упрощение его конструкции.

Для достижения указанного технического результата в двигателе с внешним подводом тепла, содержащем блок, выполненный в виде полого корпуса с цилиндрической поверхностью, газопроницаемый разделительный элемент с регенератором, установленный с возможностью качания в полости корпуса с образованием в ней холодной и горячей камер, и рабочий цилиндр, исполнительный элемент которого кинематически связан с рабочим валом и с приводом качания разделительного элемента, а полость сообщена с полостью корпуса, полость корпуса в поперечном сечении выполнена клиновидной, ось качания разделительного элемента расположена в вершине клиновидного сечения полости, боковые поверхности разделительного элемента выполнены цилиндрическими, а противолежащие им ограничивающие стенки полости корпуса выполнены в форме цилиндрических сегментов, кривизна поверхности которых соответствует кривизне поверхностей разделительного элемента, причем полость рабочего цилиндра сообщена постоянно с холодной камерой полости корпуса.

Верхняя ограничивающая стенки полости корпуса, образующая с разделительным элементом горячую камеру, может быть выполнена из прозрачного материала, противолежащая ей поверхность разделительного элемента может быть снабжена газопроницаемым светопоглотителем, поверхность разделительного элемента, обращенная к холодной камере, может быть выполнена охлаждаемой. Двигатель может быть снабжен по меньшей мере одним дополнительным блоком, установленным так, чтоь оси качания разделительных элементов блоков расположены параллельно, а кинематические связи их исполнительных элементов с рабочим валом соединены в противофазе.

На фиг.1 изображена приниципиальная схема двигателя, поперечное сечение, при минимальном объеме холодной камеры; на фиг.2 то же, при максимальном объеме рабочего цилиндра и промежуточном положении разделительного элемента; на фиг. 3 -то же, при максимальном объеме холодной камеры; на фиг.4 то же, при минимальном объеме рабочей камеры и промежуточном положении разделительного элемента; на фиг.5 конструкция двигателя с несколькими блоками, оси качания разделительных элементов которых расположены параллельно.

Двигатель содержит блок 1, выполненный в виде полого корпуса, имеющего в поперечном сечении клиновидную полость, образованную двумя ограничивающими стенками 2 и 3, выполненными в форме цилиндрических сегментов. В полости корпуса с образованием холодной камеры 4 и горячей камеры 5 размещен газопроницаемый разделительный элемент 6 с регенератором, установленный с возможностью качательного движения, причем его ось качания 7 расположена в вершине клинообразного поперечного сечения полости коопуса, а боковые поверхности 8 и 9 разделительного элемента 6 выполнены цилиндрическими. Кривизна боковых поверхностей ограничивающих стенок 2 и 3 соответствует кривизне боковых поверхностей разделительного элемента 6. Рабочий цилиндр 10 имеет полость 11, постоянно сообщенную с холодной камерой 4, и исполнительный элемент 12, выполненный, например, в виде мембраны и кинематически связанный с рабочим валом 13 и с приводом качания 14 разделительного элемента 6.

Верхняя ограничивающая стенка 2 горячей камеры 5 может быть выполнена из прозрачного материала в тех случаях, когда в качестве источника тепла используется солнечная энергия. Наибольший эффект достигается при использовании покрытия с двойной прозрачностью, которое беспрепятственно пропускает световые лучи в горячую камеру и препятствует излучению тепла наружу. Повышению эффективности использования тепловой энергии способствует также снабжение боковой поверхности 8 разделительного элемента 6 объемным газопроницаемым светопологлотителем 15, а боковой поверхности 9 системой охлаждения 16.

Двигатель может состоять из нескольких блоков 1, расположенных так, что оси качания 7 их разделительных элементов 6 расположены параллельно, а кинематические связи 17 их исполнительных элементов 12 с рабочим валом 13 соединены в противофазе. Рабочий вал 13 имеет маховик 18.

Двигатель работает следующим образом.

При минимальном объеме холодной камеры 4 весь рабочий газ находится в горячей камере 5 и при его нагревании двление рабочего газа повышается и исполнительный элемент 12, перемещаясь в сторону увеличения полости 11 рабочего цилиндра 10, приводит к движение рабочий вал 13 с маховиком 18. При достижении исполнительным элементом 12 крайнего положения, соответствующего максимальному объему полости 11, начинается перемещение разделительного элемента 6 в направлении верхней ограничивающей стенки 2 (фиг.2). При этом горячий воздух проходит сквозь разделительный элемент и отдает свое тепло в накапливающую среду регенератора и передается в систему охлаждения 16, а давление в камерах 4 и 5 падает. Маховик 18 через кинематическую связь 17 начинает перемещать исполнительный элемент 12 в сторону уменьшения полости рабочего цилиндра 10, снова повышая давление в камерах 4 и 5, то есть производится процесс сжатия воздуха при более низкой его температуре, чем при процессе его расширения, за счет чего и совершается полезная работа.

После достижения исполнительным элементом 12 крайнего положения, соответствующего минимальному объему полости 11 рабочего цилиндра 10, разделительный элемент 6 начнет перемещаться в сторону уменьшения объема холодной камеры, вытесняя воздух из холодной камеры 4 в горячую камеру 5. Проходящий через разделительный элемент 6 воздух нагревается в регенераторе, а затем и в горячей камере 5, давление воздуха повышается и снова начинается перемещение исполнительного элемента 12 в сторону увеличения объема полости 11 рабочего цилиндра 10. При многоцилиндровом выполнении двигателя рабочие ходы отдельных цилиндров чередуются, повышая равномерность вращения вала и уравновешенность двигателя. Один из блоков многоцилиндрового двигателя можно использовать в качестве холодильной машины.

Использование: энергомашиностроение. Сущность изобретения: в двигателе Стирлинга корпусная полость 1 разделена совершающей возвратно-поступательное движение газопроницаемой регенераторной пластиной 4 на две отдельные полости 6, 7, причем одна из них может нагреться, а вторая оснащена системой охлаждения 13. Вторая отдельная полость сообщена с рабочим цилиндром, который с помощью первого приводного устройства 7 воздействует на рабочий вал 14 или на маховую массу 10, а с помощью второго приводного устройства воздействует на регенераторную пластину 4. Предлагается выполнить корпусную полость 1 в форме клина и закрепить регенераторную пластину 4 в вершине корпусной полости на оси 5 поворота с возможностью качания (поворота). 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Двигатель с внешним подводом тепла (Стирлинга), содержащий блок, выполненный в виде полого корпуса с цилиндрической внутренней поверхностью, газопроницаемый разделительный элемент с регенератором, установленный с возможностью качания в полости корпуса с образованием в ней холодной и горячей камер, рабочий цилиндр, исполнительный элемент которого кинематически связан с рабочим валом и с приводом качания разделительного элемента, а полость сообщена с полостью корпуса, отличающийся тем, что полость корпуса в поперечном сечении выполнена клиновидной, ось качания разделительного элемента расположена в вершине клиновидного сечения полости, боковые поверхности разделительного элемента выполнены цилиндрическими, а противолежащие им ограничивающие стенки полости корпуса выполнены в форме цилиндрических сегментов, кривизна поверхности которых соответствует кривизне поверхностей разделительного элемента, причем полость рабочего цилиндра постоянно сообщена с холодной камерой полости корпуса. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что верхняя ограничивающая стенка полости корпуса, образующая с разделительным элементом горячую камеру, выполнена из прозрачного материала, а противолежащая ей поверхность разделительного элемента снабжена газопроницаемым светопоглотителем. 3. Двигатель по п. 2, отличающийся тем, что светопоглотитель выполнен объемным. 4. Двигатель поп пп.1 3, отличающийся тем, что поверхность разделительного элемента, обращенная к холодной камере, выполнена охлаждаемой. 5. Двигатель по пп.1 4, отличающийся тем, что он снабжен по меньшей мере одним дополнительным блоком, установленным так, что оси качания разделительных элементов блоков расположены параллельно, а кинематические связи их исполнительных элементов с рабочим валом соединены в противофазе.