ДВИГАТЕЛЬ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ Российский патент 2000 года по МПК F02G1/43 F03G7/06 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к области тепловых машин внешнего нагревания, работающих по термодинамическому циклу Стирлинга, то есть в идеальном случае: изотерма-изохора-изотерма-изохора.

Известен двигатель с внешним подводом теплоты по а.с.СССР N 1726830 A1 1990 г. кл. F 02 G 1/043, содержащий корпус с размещенными в нем цилиндрами и поршнями, расположенными в каждом из цилиндров, разделенных теплоизолирующей перегородкой, а также регенератор, холодильник.

Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности работы в режиме автономной бестопливной экологически чистой энергетической установки, по плотности запаса энергии не уступающей двигателям внутреннего сгорания.

Целью изобретения является расширение технологических возможностей за счет обеспечения автономности бестопливной экологически чистой энергетической установки, по плотности запаса энергии не уступающей двигателям внутреннего сгорания.

Это достигается тем, что в двигателе с внешним подводом теплоты, содержащем корпус, внутри которого расположен механизм с размещенными в нем цилиндрами и поршнями, расположенными в каждом из цилиндров, разделенных теплоизолирующей перегородкой, а также регенератор и холодильник, механизм состоит из единого вертикального вала и двух блоков цилиндров, в каждом из которых равное число цилиндров, параллельных оси вала и равномерно расположенных по окружности с центральной симметрией относительно оси вала, причем один из блоков - блок сжатия находится в нижней теплоизолированной камере, заполненной жидким водородом, а второй - блок расширения находится в верхней нетеплоизолированной камере, заполненной газообразным водородом при температуре окружающей среды. Кроме того, применением в каждом из двух блоков цилиндров, соосных между собой цилиндров, соединенных через регенератор. Использованием двух одинаковых механизмов качающейся шайбы при неподвижных блоках цилиндров. В каждом цилиндре расположен поршень и шатун, соединенный с поршнем и качающейся шайбой сферическими шарнирами. Использованием двух одинаковых механизмов с двумя наклонными вращающимися шайбами и двумя вращающимися блоками цилиндров. Каждый цилиндр содержит поршень и шатун, соединенный с поршнем и вращающейся шайбой сферическими шарнирами. Поворотом двух качающихся шайб на углы относительно двух взаимно перпендикулярных осей вала, перпендикулярных оси, что обеспечивает реализацию термодинамического цикла "изотерма расширения-изохора-изотерма сжатия-изохора" (цикла Стирлинга), и поворотом двух вращающихся шайб на углы относительно двух взаимно перпендикулярных осей, перпендикулярных оси вала, что обеспечивает реализацию цикла Стирлинга.

Выполнением на поршне внутренней конической поверхности, к которой прилегает по прямолинейной образующей цилиндрической поверхности шатун.

Выполнением параметров механизмов качающейся и вращающейся шайбы по следующим соотношениям (фиг. 3,4):

где R - радиус окружности центров сферических шарниров шатунов на качающейся и вращающейся шайбе,
l - длина шатуна,
r - радиусы осей цилиндров относительно вала,
γ - угол наклона плоскости, качающейся или вращающейся шайбы относительно плоскости, перпендикулярной оси вала.

Эти условия обеспечивают непрерывную обкатку шатунов по внутренней конической поверхности поршней на два оборота за один оборот вала и создает синхронное движение вала и шайб. При равномерном вращении такие механизмы создают только инерционные силы первого порядка как в обычном вращающемся роторе, что позволяет при балансировке полностью устранить силы от неуравновешенностей. Кроме того, размещением в теплоизолированной камее ниже блока сжатия электрогенератора по технологии сверхпроводимости с герметизированными электрическими выходами. Наличием наряду с основной теплоизолированной камерой дополнительной теплоизолированной камерой, соединенной с основной, причем в дополнительной камере размещен порошок металлогидрида, а также наличием регулирующего клапана, расположенного в верхней части дополнительной теплоизолированной камеры, соединенной с нетеплоизолированной камерой, в которой размещен блок цилиндров расширения. Кроме того, наличием выпускного клапана, который обеспечивает выпуск водорода в окружающую среду при повышении давления в верхней нетеплоизолированной камере расширения с возможностью сжигания водорода для дополнительного подогрева нетеплоизолированной камеры и наличием зарядного устройства для захолаживания водорода и восполнения выпущенного в окружающую среду водорода с целью заполнения теплоизолированных камер жидким водородом и сорбции водорода в металлогидрид для его насыщения водородом.

На фиг. 1 показан вариант двигателя с качающейся шайбой, с неподвижным блоком цилиндров, а на фиг. 2 - вариант двигателя роторного типа с вращающимся блоком цилиндров.

Двигатель с внешним подводом теплоты состоит из трех камер A, B и C, соединенных между собой, в целом образующих герметичную систему (фиг. 1 и 2). Сосуды A и B теплоизолированы. Показанные на фиг. 1 и 2 теплоизоляционные стенки 20 и 22 камер A и B можно расширительно интерпретировать как вакуумированные (типа сосуда Дьюра или активного принудительного термостатирования). Камера C со стенкой 21, обладающей высокой теплопроводностью, находится при температуре окружающей среды. Все три камеры заполнены водородом в различных фазовых состояниях. Камера B дополнительно заполнена порошком металлогидрида.

Камера C находится выше камеры A. Камера A постоянно заполнена жидким водородом, камера B первоначально заполнена жидким водородом, затем в процессе работы установки он переходит в газообразную фазу, линия раздела 32 показана на фиг. 1, 2. Механизм двигателя с внешним подводом тепла размещается в камерах A и C. Он образован валом 1, проходящим через камеры A и C. Рассмотрим механизм качающейся шайбы.

Вал 1 проходит внутри блока расширения 2 и сжатия 5. Цилиндры 6 в блоках 2 и 5 расположены параллельно оси вращения равномерно по окружности и их число больше 4, предпочтительно семь или девять в каждом блоке. Попарно цилиндры 6 в блоках 2 и 5 расположены соосно. В каждом цилиндре блоков 2 и 5 расположены поршни 3. Поршни 3 через шатуны 4 со сферическими шарнирами соединены с качающимися шайбами 7 для блока цилиндров расширения и 8 для блока цилиндров сжатия. Геометрия механизмов такова, что цилиндрические поверхности шатунов 4 постоянно находятся своими прямолинейными образующими на внутренних конических поверхностях поршней 3, что удерживает качающиеся шайбы 7 и 8 от поворачивания. Каждая пара соосных цилиндров блоков 2 и 5 соединена короткими трубопроводами со встроенными в них регенераторами 9 (пористыми элементами или проволочной, волоконной набивкой).

Качающаяся шайба 7 через радиально-упорный подшипник 10 размещена в косой чаше 19 вала 1, а качающаяся шайба 8 через радиально-упорный подшипник 11 в косой чаше 23 вала 1. Углы поворота плоскостей чаш 19 и 23 выполнены относительно осей, расположенных в плоскости, перпендикулярной оси вала 1; для чаши 19 относительно оси, перпендикулярной плоскости чертежа фиг. 1, для чаши 23 относительно оси, расположенной в плоскости чертежа фиг. 1.

Таким образом для соосных цилиндров, когда поршни 3 блока расширения 2 находятся в мертвых крайних положениях; для блока сжатия 5 поршни 3 находятся в средних положениях, то есть движения в соосных цилиндрах сдвинуты по фазе на 90 град. механизмы качающихся шайб выполнены в соответствии с соотношениями (1) и (2), что обеспечивает безотрывное обкатывание шатунов по конусам поршней.

Вал 1 опирается на радиально-упорные подшипники 12 и 13, между камерами A и C размещена промежуточная опора-уплотнитель 14.

Ниже косой чаши 23 размещен электрогенератор, образованный ротором 15 и статором 16. К валу 1 присоединен ротор 15, заключенный внутри статора 16. Электрогенератор выполнен по технологии сверхпроводимости, так как находится в среде жидкого водорода. Подмагничивание обеспечивается электрическим входом 17, а съем электроэнергии производится через электрический выход 18. Вход 17 и выход 18 не нарушают герметичности камеры A.

Камеры A и В соединены каналами 24. Блоками 25, 26, 27 обозначена криогенная зарядная установка, 28 - вход электропитания; 34 - вход дозаправки жидким водородом, 29 - регулирующий клапан; 30 - соединительный трубопровод; 31 - выпускной клапан. Поверхность раздела жидкого и газообразного водорода показана позицией 32; 33 - теплоизолирующая вставка в вал 1, необходимая для ограничения паразитного теплового потока из камеры C в камеру A.

На фиг. 2 представлено техническое решение на основе роторного механизма. Кинематика роторного механизма подобна кинематике механизма с качающейся шайбой, но отличается переменой вращающихся и неподвижных элементов. С валом 1 жестко соединены вращающиеся блоки цилиндров 2 расширения и 5 сжатия. Цилиндры 6 расположены соосно в каждом блоке параллельно оси вращения вала 1 равномерно по окружности. Предпочтительным является нечетное число цилиндров - семь или девять. В каждом цилиндре расположены поршни 3. Поршни 3 через шатуны 4 со сферическими шарнирами соединены с наклонными вращающимися шайбами 7 и 8. Вращение шайб обеспечивается тем, что цилиндрические поверхности шатунов 4 постоянно находятся на внутренних конических поверхностях поршней 3. При равномерном вращении движение поршней вдоль оси является чисто гармоническим. Каждая пара соосных цилиндров блоков 2 и 5 соединены внутри вала короткими трубопроводами со встроенными в них регенераторами 9 (пористыми элементами, проволочной или волоконной набивкой большой теплоемкости). Вращающаяся шайба 7 через радиально-упорный подшипник 10 размещена в неподвижном корпусе 19, причем плоскость шайбы 7 наклонена относительно оси, перпендикулярной оси вала 1 и плоскости чертежа фиг. 2. Вращающаяся шайба 8 через радиально-упорный подшипник 11 размещена в неподвижном корпусе 23. Плоскость наклона шайбы 8 образована поворотом плоскости, перпендикулярной оси вала 1 вокруг оси, расположенной в плоскости чертежа фиг. 2. Таким образом для соосных цилиндров, когда поршни блока расширения находятся в мертвых крайних положениях для блока сжатия, поршни находятся в средних положениях, то есть движения в соосных цилиндрах сдвинуты по фазе на 90 град.

Двигатель работает следующим образом.

Весь объем камер A, B и C заполнен водородом в различных фазовых состояниях под давлением порядка 20 МПа (См. Г.Уокер "Двигатели Стирлинга". М. Машиностроение. 1985, с. 57-60). Блок цилиндров 5 находится в среде жидкого водорода. Рабочим телом внутри цилиндров также является водород в газообразном состоянии. Сдвиг по фазе между движением шатунно-поршневых групп в соосных цилиндрах составляет 90 град. за счет наклона качающихся или вращающихся шайб 7 и 8 за счет поворота шайб относительно взаимно перпендикулярных осей в плоскостях, перпендикулярных оси вала, что приближенно обеспечивает реализацию термодинамического цикла Стирлинга.

Механизмы качающейся шайбы
Поршни 3 и шатуны 4 (см. фиг. 1) приходят в возвратно-поступательное движение, создавая сферическое движение без вращения качающихся шайб 7 и 8 и вращение вала 1. При равномерном вращении вала 1 движение поршней 3 будет чисто гармоническим в силу соотношений (1) и (2). Силы и моменты передаются на косые чаши 19 и 20 валу 1. Механизм в целом обладает необходимой одной степенью свободы за счет постоянного контакта цилиндрических поверхностей шатунов 4 и внутренних конических поверхностей поршней 3. Шатуны 4 дважды за оборот вала совершают оборот относительно конуса поршня 3, что достигается за счет выполнения соотношений (1, 2). Допуски на величину угла α при изготовлении - положительные во избежание заклинивания механизма.

Кинематика для роторного механизма (см. фиг. 2) реализуется следующим образом. Поршни 3 и шатуны 4 совершают возвратно-поступательное движение, вращая вал 1 с роторами-блоками цилиндров 2 и 5 и шайбы 7 и 8. Шайбы 7 и 8 вращаются в плоскостях, наклоненных под углами к плоскости, перпендикулярной оси вала 1, они повернуты относительно двух взаимно перпендикулярных осей: перпендикулярной плоскости чертежа фиг. 2 (шайба 7) и в плоскости чертежа фиг. 2 (шайба 8).

Передача на вал 1 крутящего момента обеспечивает упором шатунов 4 во вращающиеся шайбы 7 и 8 и передачей вращения через шатуны 4 и поршни 3 на блоки цилиндров 2 и 5.

Дальнейшее описание работы устройств фиг. 1 и 2 является общим. Вал 1 вращает ротор 15 электрогенератора, который производит электроэнергию, снимаемую с обмотки статора 16 - выхода 18, а на обмотку подмагничивания статора 16 подается электроэнергия через вход 17. Термодинамический коэффициент полезного действия тепловой энергетической установки очень высок и составляет величину порядка 93-95 %. Большая часть тепла окружающей среды из камеры C переводится в полезную механическую работу и затем в электроэнергию. Однако часть тепла (5-7 %) поступает из камеры C в камеры A и B, что приводит к переходу водорода из жидкого состояния в газообразное. Часть тепла поглощается за счет этого фазового перехода, часть - за счет теплоемкости. В камере B образуется газовая подушка выше уровня 32. Через клапан 29 и трубопровод 30 камеры B и C соединяются при повышении давления в камерах B, A. Повышение температуры газа в камерах до заданной величины приводит к десорбции помещенного в камеру B гидрида, что поглощает поступающее из камеры A тепло, уровень 32 понижается до тех пор, пока весь гидрид камеры B не десорбирует, дополнительно заполняя камеры B и C водородом путем поступления газообразного водорода через регулирующий клапан 29 и трубопровод 30 в камеру C. При повышении давления газа в камере B в начальном положении регулирующий клапан 30 закрыт. При повышении среднего давления в камерах до расчетной величины (25-35 МПа) открывается выпускной клапан 31 и избыточный водород сбрасывается через него в окружающую среду.

Возможный вариант технического решения - сжигание выпускаемого водорода с целью обогрева камеры C, что повысит термодинамический КПД установки.

Когда вся камера B окажется заполненной газом, процесс считаем законченным, и работа энергетической установки в режиме разрядки и производство электроэнергии прекращается. Для продолжения работы энергетической установки вал 1 затормаживается и через электрический вход 28 от внешнего источника включается криогенная зарядная установка (блоки 25, 26, 27). Дополнительный водород взамен выпущенного в окружающую среду поступает через вход 34. Зарядка обеспечивает сорбцию водорода в гидрид, снижение давления водорода в камерах A, B и C и восполнение потерянного водорода. После окончания зарядки энергетическая установка вновь готова к эксплуатации с выдачей энергии в автономном режиме. Внешне тепловая энергетическая установка будет восприниматься как электрический аккумулятор чрезвычайно большой емкости. Она обеспечивает при применении в мобильных машинах (прежде всего в автомобилях) полную экологическую чистоту. Емкость установки по запасу энергии в массогабаритных соотношениях в несколько раз превышает двигатели внутреннего сгорания на легком и тяжелом углеводородном топливе (бензиновые и дизельные).

Заявка подготовлена при финансовой поддержке Российского Фонда фундаментальных исследований (Проект N 96-02-18481-а).

Изобретение относится к машиностроению, а именно к области тепловых машин внешнего нагревания, работающих по термодинамическому циклу Стирлинга, то есть в идеальном случае: изотерма-изохора-изотерма-изохора. Целью изобретения является расширение технологических возможностей за счет обеспечения автономности бестопливной экологически чистой энергетической установки, по плотности запаса энергии, не уступающей двигателям внутреннего сгорания, двигатель с внешним подводом теплоты состоит из трех камер А, В и С, соединенных между собой, в целом образующих герметичную систему. Сосуды А и В теплоизолированы. Камера С со стенкой, обладающей высокой теплопроводностью, находится при температуре окружающей среды. Все три камеры заполнены водородом в различных фазовых состояниях. Камера В дополнительно заполнена порошком металлогидрида. Камера С находится выше камеры А. Камера А постоянно заполнена жидким водородом, камера В первоначально заполнена жидким водородом, затем в процессе работы установки он переходит в газообразную фазу. Механизм тепловой энергетической установки размещается в камерах А и С. Он образован валом, проходящим через камеры А и С, и блоками цилиндров расширения и сжатия с поршнями и шатунами. Каждая пара соосных цилиндров блоков соединена короткими трубопроводами со встроенными в них регенераторами. Блок цилиндров сжатия находится в среде жидкого водорода камеры В, блок цилиндров расширения - при температуре окружающей среды камеры С. Рабочим телом внутри цилиндров также является водород в газообразном состоянии. Сдвиг по фазе между движением шатунно-поршневых групп соосных цилиндров составляет 90 град., что приближенно обеспечивает реализацию термодинамического цикла Стирлинга. 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Двигатель с внешним подводом теплоты, содержащий корпус, внутри которого расположен механизм с размещенными в нем цилиндрами с поршнями и шатунами, расположенными в каждом из цилиндров, разделенных теплоизолирующей перегородкой, а также регенератор и холодильник, отличающийся тем, что механизм состоит из единого вертикального вала и двух блоков цилиндров, в каждом из которых равное число цилиндров, параллельных оси вала и равномерно расположенных по окружности с центральной симметрией относительно оси вала, причем один из блоков - блок сжатия находится в нижней теплоизолированной камере, заполненной жидким водородом, а второй - блок расширения находится в верхней нетеплоизолированной камере, заполненной газообразным водородом при температуре окружающей среды. 2. Устройство по п.1, отличающееся расположением в блоках цилиндров сжатия и расширения двух соосных цилиндров, соединенных через регенератор. 3. Устройство по п.1, отличающееся наличием двух механизмов качающейся шайбы и неподвижных блоков цилиндров расширения и сжатия, в каждом цилиндре размещен поршень, соединенный с качающейся шайбой шатуном со сферическими шарнирами на концах. 4. Устройство по п.1, отличающееся наличием двух механизмов с двумя вращающимися блоками цилиндров на едином валу, в каждом цилиндре размещен поршень, соединенный с вращающейся шайбой шатуном со сферическими шарнирами на концах. 5. Устройство по пп.1 и 3, отличающееся поворотом двух качающихся шайб на углы относительно двух взаимно перпендикулярных осей, перпендикулярных оси вала, для реализации термодинамического цикла Стирлинга. 6. Устройство по пп.1 и 4, отличающееся поворотом двух вращающихся шайб на углы относительно двух взаимно перпендикулярных осей, перпендикулярных оси вала для реализации термодинамического цикла Стирлинга. 7. Устройство по п. 1, отличающееся выполнением на поршнях конических поверхностей, к которым прилегает по образующим цилиндрическая поверхность шатунов. 8. Устройство по пп.1, 3 и 4, отличающееся выполнением параметров механизмов качающейся и вращающейся шайбы по следующим соотношениям
R-r = r-Rcosγ,

где R - радиус окружности центров сферических шарниров шатунов на качающейся или вращающейся шайбе;
r - радиус осей цилиндров относительно оси вала;
γ - угол наклона плоскости качающейся шайбы;
α - угол наклона образующих конуса на поршне к оси цилиндра;
l - длина шатуна. 9. Устройство по п.1, отличающееся размещением в основной камере ниже блока цилиндров сжатия на конце вала электрогенератора, работающего на технологии сверхпроводимости с герметизированными электрическими выходами. 10. Устройство по п.1, отличающееся наличием дополнительной теплоизолированной камеры, соединенной с основной теплоизолированной камерой, причем в дополнительную теплоизолированную камеру помещен металлогидрид. 11. Устройство по п.1, отличающееся наличием клапана, расположенного в верхней части дополнительной теплоизолированной камеры, который соединяет дополнительную теплоизолирующую камеру с нетеплоизолированной камерой, в которой размещен блок цилиндров расширения. 12. Устройство по п.1, отличающееся наличием выпускного клапана, который обеспечивает выпуск водорода в окружающую среду при повышении давления в верхней нетеплоизолированной камере. 13. Устройство по п.1, отличающееся наличием зарядного устройства для захолаживания и сжижения водорода и восполнения выпущенного в окружающую среду водорода с целью заполнения теплоизолированных камер жидким водородом и сорбции водорода в металлогидрид для его насыщения водородом.