ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА Российский патент 1998 года по МПК F02G1/04 

Изобретение относится к тепловым машинам, в частности, к свободнопоршневым двигателям Стирлинга.

В известных конструкциях двигателей Стирлинга /Сб. статей под ред. В.М. Бродянского:" Двигатели Стирлинга". М. 1975/ используется на полезную работу только одна из четырех фаз цикла - изотермическое расширение с помощью рабочего поршня.

В качестве прототипа выбран двигатель /Мухичев Г. А. и Щукин В.К. "Термодинамика и теплопередача", М., 1991, с.154 - 155/, содержащий герметичный резервуар, помещенное внутрь рабочее тело, перемещающиеся вдоль стенок резервуара и относительно друг друга два вытеснителя. Резервуар разделен на горячую холодную полости, которые выполнены с входными и выходными отверстиями и соединены между собой через теплообменник, а к наружной стенке извне подведено тепло.

Преобразование тепловой энергии в механическую осуществлено вначале как возвратно-поступательное движение масс, которое затем с помощью кинематических звеньев только в течение одной фазы цикла Стирлинга преобразуется в полезную энергию вращающихся масс.

Недостаточный КПД аналогов и прототипа объясняется неэффективным использованием времени цикла двигателя и наличием промежуточных звеньев возвратно-поступательного движения.

Задачей изобретения является получение технологического результата в виде увеличения доли рабочей фазы в цикле Стирлинга.

Технический результат достигается тем, что герметичный резервуар выполнен в форме, по меньшей мере, одной тороидальной камеры, между входным и выходным отверстиями которой размещено приспособление для разделения камеры на нагнетательную и всасывающую полости с возможностью свободного прохождения вытеснителя, в виде, например, вертящейся заслонки с фиксацией поворота.

Сущность изобретения заключается в организации движения потока рабочей среды в герметичном резервуаре, изготовленном в форме по меньшей мере одной тороидальной камеры, с помощью, например, вертящейся заслонки с фиксацией поворота на 90^o и свободно перемещающегося вытеснителя, разделяющих объем камеры на нагнетательную и всасывающую полость, таким образом, что все четыре фазы рабочего цикла Стирлинга происходят одновременно, а совершающая полезную работу фаза изотермического расширения в тороидальной камере происходит практически непрерывно во время всего цикла двигателя.

Применение по меньшей мере еще одной тороидальной камеры, подключенной через теплообменник последовательно с первой и снабженной статорной обмоткой, а также вытеснителем из ферромагнитного материала, позволяет преобразовать тепловую энергию в электрическую без сложной кинематики возвратно-поступательного движения промежуточных звеньев.

Предлагаемая конструкция двигателя Стирлинга может быть использована при проектировании экологически чистых транспортных средств, энергоустановок различного назначения, ветрогелиогенераторов и др. с повышенным КПД и высокой надежностью.

Условие промышленной применимости достигнуто изменением формы герметичного резервуара, заключающего в себе приспособление для разделения тороидальной камеры в виде, например, вертящейся заслонки и вытеснителя-шара, изготовленных из жаропрочного материала.

При определении условия новизны технического решения не выявлено соответствия предложенных признаков известному уровню техники.

Условие изобретательского уровня подтверждается отсутствием известного влияния предложенных отличительных признаков технического решения на увеличение доли рабочей фазы в цикле двигателя Стирлинга.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где приведена принципиальная схема работы двигателя.

Конструкция двигателя содержит горячую камеру 1, рабочее тело 2, горячий вытеснитель 3, вертящуюся заслонку 4, горячую нагнетательную полость 5, горячую всасывающую полость 6, теплообменник 7, холодную камеру 8, холодную нагнетательную полость 9, холодную всасывающую полость 10, холодный вытеснитель 11, электромагнитный клапан 12, горячее нагнетательное отверстие 13, холодное нагнетательное отверстие 14, горячее всасывающее отверстие 15, холодное всасывающее отверстие 16, статорную обмотку 17, обмотку электромагнитного клапана 18, датчик открытия электромагнитного клапана 19, инжектор 20, регулирующий орган 21.

Горячая камера 1 выполнена состоящей из двух металлокерамических полутороидов, штампованных заодно с полостью, где размещена вертящаяся заслонка 4. Рабочее тело - гелий. Горячий вытеснитель 3 - шар из жаропрочного материала. Вертящаяся заслонка 4 снабжена, например, пружинным фиксатором. Теплообменник 7 выполнен, например, с использованием эффекта "тепловых труб", заполненных промежуточными теплоносителями. Холодная камера8 изготовлена аналогично камере 1 из порошка ферромагнитного материала. Холодный вытеснитель 11 - из ферромагнетика и выполнен катящимся по стенке тора, в том числе, например, с помощью роликов, он снабжен также обмоткой типа "беличьей клетки" при асинхронном генерировании или постоянными магнитами. Для уменьшения трения и воздушного зазора вытеснитель 11 выполнен с удержанием на своей поверхности магнитной жидкости.

Электромагнитный клапан 12 выполнен или с пружиной нормальнозакрытым или в виде вертящейся заслонки с электромагнитным удержанием. Его обмотка 18 включена через датчик положения 19, который размещен в стенке камеры 8 в районе нагнетательного отверстия 14. Инжектор 20 подключен между напорным и всасывающим каналами теплообменника 7 и снабжен регулирующим органом 21, меняющим долю пропускаемой через инжектор рабочей среды 2.

Работает двигатель следующим образом. Подводимое через стенки горячей камеры 1 тепло Q повышает параметры рабочего тела 2, понуждая его расширяться в объеме, заключенном между горячим вытеснителем 3 и заслонкой 4 в нагнетательной полости 5 по направлению обозначенном на чертеже стрелкой от всасывающей полости 6. Это объясняется тем, что конструкция каналов теплообменника 7 обеспечивает меньшее динамическое сопротивление среде в прямом направлении.

Начав движение вытеснитель 3 увлекает с собой среду 2, в том числе и в холодной камере 8, направление движения в которой предопределено подключением трубопроводов к нагнетательной 9 и всасывающей 10 полостям, образованным холодным вытеснителем 11 и электромагнитным клапаном 12. Начало движения рабочей среды 2 в тороидальной камере 1 и 8 означает начало рабочего цикла Стирлинга сразу:
- в объемах от вытеснителя 3 до горячего нагнетательного отверстия 13 и от вытеснителя 11 до холодного нагнетательного отверстия 14 - начало фазы изотермического сжатия;
- в объемах от вытеснителя 3 до горячего всасывающего отверстия 15 и от вытеснителя 11 до холодного всасывающего отверстия 16 начало фазы изотермического расширения;
- в объеме от отверстия 13 до отверстия 16 начало фазы изохорического охлаждения;
- в объеме от отверстия 14 до отверстия 15 начало фазы изохорического нагревания.

При движении вытеснителя 11 наводится электродвижущая сила в статорной обмотке 17 и периодически включается обмотка 18 за счет срабатывания датчика 19, что обеспечивает наименьшие потери при циркуляции среды.

При запуске расширяющаяся среда после отверстия 13 поступает также в инжектирующее сопло инжектора 20. При этом поступающий через регулирующий орган 21 инжектируемый поток приобретает дополнительную скорость и способствует быстрейшей организации движения рабочего тела 2 в заданном режиме тепломассообмена.

Именно описанное движение рабочего тела 2 в герметичном резервуаре, выполненном в форме тора с помощью заключенной внутрь заслонки 4 и размещенной с возможностью свободного прохождения вытеснителя 3 обеспечивает непрерывное преобразование подводимого извне тепла Q в кинематическую энергию потока среды, которая затем преобразуется в полезную работу.

Изобретение относится к машиностроению и предназначено для использования в энергетике и на транспорте. Герметичный резервуар с помещенным внутрь рабочим телом 2 выполнен в форме по меньшей мере одной тороидальной камеры 1, между входным 15 и выходным 13 отверстиями которой размещено приспособление 4 для разделения камеры 1 на нагнетательную 5 и всасывающую 6 полости с возможностью свободного происхождения вытеснителя 3 в виде, например, вертящейся заслонки 4 с фиксацией поворота. Новым в двигателе является тороидальная форма резервуара 1 с заключенным в нем приспособлением 4, позволяющие организовать движение рабочего тела 2 с помощью свободноперемещающегося вытеснителя 3, например, в форме шара, таким образом, что все четыре фазы рабочего цикла Стирлинга происходят одновременно и содержащая полезную работу фаза изотермического расширения в камере 1 длится практически непрерывно. 1 з.п.ф., 1 ил.

1. Двигатель Стирлинга, содержащий герметичный резервуар, помещенное внутрь рабочее тело, перемещающиеся вдоль стенок резервуара вытеснители, резервуар разделен вытеснителями на полости, снабжен входными, выходными отверстиями, которые соединены между собой через теплообменник, и к наружной стенке резервуара извне подведено тепло, отличающийся тем, что герметичный резервуар выполнен в форме по меньшей мере одной тороидальной камеры, между входным и выходным отверстиями которой размещено приспособление для разделения камеры на нагнетательную и всасывающую полости с возможностью свободного прохождения вытеснителя. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что приспособление для разделения камеры на нагнетательную и всасывающую полости выполнено, например, в виде вертящейся заслонки с фиксацией поворота.