Тепловой двигатель Советский патент 1984 года по МПК F03G7/00 

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к преобразованию тепловой энергии в механическую, и может быть использовано для привода механизмов с возвратно-поступательным движением, например мембранных и поршневых насосов ддя перекачки жидкости.

Известен тепловой двигатель, выполненный в виде заполненной легкокипящим рабочим телом герметичной камеры с зонами подвода н отвода тепла с эластичным участком стенок в виде сильфона, один конец которого соединен с неподвижно закрепленным участком камеры, а другой, установленный с возможностью осевого перемещения - с звеном отбора мощности 1.

Недостатками этого двигателя являются его невысокая эффективность, обусловленная тепловыми потерями, вызванными совмещением в пространстве зон попеременного нагрева и охлаждения, а также невозможность автономной работы, поскольку изменение режима нагрева и охлаждения для осуществления расщирения и сжатия камеры и возвратно-поступательного перемещения звена отбора мощности обеспечивается за счет внешнего сигнала, воздействующего на переключатель.

Наиболее близким к изобретению является телловой двигатель, содержащий заполненную легкокипящим рабочим телом герметичную камеру с зонами подвода и отвода тепла, соединенными размещенной внутри камеры капиллярной структурой со стенками камеры, имеющими неподвижно закрепленный участок, соединенный при помощи эластичного участка с лодвижным участком, установленным с возможностью осевого перемещения и связанным со штоком отбора мощности 2.

В этом двигателе обеспечивается автоматическое переключение режимов расщирения и сжатия камеры за счет периодического контакта подвижного участка ее стенок с холодильником, и эффективность преобразования энергии повышена по сравнению с устройством 1 за счет раздельного выполнения в пространстве зон нагрева и охлаждения и соединения их капиллярной структурой для транспортировки конденсата рабочего тела в зону нагрева.

Однако в этом двигателе-прототипе эффективность преобразования тепловой энергии в механическую недостаточно высока вследствие тоГо, что на этапе отвода тепла от двигателя продолжается подвод тепла к его рабочему телу. В результате значительная часть тепла передается через двигатель от зоны подвода тепла к зоне его отвода без совершения полезной работы. Кроме того, эффективность двигателя снижается из-за сравнительно большого контактного термического сопротивления между двигателем и холодильником.

Цель изобретения - повышение КПД. Указанная цель достигается тем, что в тепловом двигателе, содержащем заполненную легкокипящим рабочим телом герметичную камеру с зонами подвода и отвода тепла, соединенными размешенной внутри камеры капиллярной структурой со стенками камеры, имеющими неподвижно закрепленный участбк, соединенный при помощи эластичного участка с подвижным участком,

0 установленным с возможностью осевого перемещения и связанным со штоком отбора мощности, камера снабжена покрытой капиллярной структурой перегородкой с отверстием, перекрываемым тарельчатым клаг паном с приводом, перегородка делит камеру на два отсека, в одном из которых расположена зона подвода тепла и эластичный участок стенок камеры, а в другом - зона отвода тепла, капиллярная структура перегородки в отсеке с зоной подвода тепла вы0 цолнена больщей толщины, чем капиллярная структура зоны подвода тепла, и с кольцевым разрезом, концентричным отверстию, а тарелка клапана - с кольцевым выступом, средний диаметр которого равен среднему

5 диаметру кольцевого разреза капиллярной структуры перегородки, ширина меньше, чем у этого разреза, высота больще высоты участков капиллярной структуры, примыкающих к разрезу, эффективный радиус капиллярной структуры отсека с зоной подвода тепла

0 меньше ширины разреза, а последняя меньше эффективного радиуса капиллярной структуры отсека с зоной отвода тепла. При этом привод клапана выполнен в виде размешенной вне камеры дуговой пружины и прикрепленного к средней части

5 пружины толкателя, снабженного прикрепленными к нему концевыми упорами для циклического взаимодействия с клапаном в осевом направлении, герметично соединенного с подвижным участком стенок ,ка0 меры при помощи сильфона,. а шток отбора мощности снабжен прикрепленными к нему концевыми упорами, между которыми размешенасредняя часть пружины с возможностью взаимодействия с последними для циклического прогиба пружины вдоль продольной оси двигателя.

На фиг. 1 представлен предлагаемый двигатель, продольньш разрез; (слева от оси показано положение, когда клапан закрыт, а справа - когда клапан открыт);

0 на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.

Двигатель содержит заполненную легкокипящим рабочим телом герметичную камеру 1 с зонами подвода 2 и отвода 3 тепла, соединенными размешенными внутри камеры 1 участками 4 и 5 капиллярной структуры, выполненной из материала, смачиваемого жидким рабочим телом. Стенки камеры 1 имеют неподвижно закрепленный участок, выполненный в виде наружного

стакана 6, соединенный при помощи эластичного участка, выполненного в виде сильфона 7, с подвижным участком, выполнен ным в виде стакана-вытеснителя 8. Последний установлен с возможностью осевого перемещения и связан посредством кронштейнов 9 со штоком 10 отбора мошности. Камера 1 разделена поперечной перегородкой И на отсек 12, в котором расположены зона 2 подвода тепла и эластичный участок стенок камеры 1 - сильфон 7, и отсек 13, в котором расположена зона 3 отвода тепла. Перегородка 11 покрыта капиллярной структурой на участках 4 и 5. Капиллярная структура перегородки 11 в отсеке 12 выполнена, большей.: толщины, чем капиллярная структура зоны 2потвода тепла.

В перегородке И выполнено отверстие 14, перекрываемое тарельчатым клапаном 15. Тарелка клапана 15 соединена с его штоком 16, имеющим на конце кольцевой выступ 17. В капиллярной структуре перегородки 11 со стороны отсека 12 выполнен кольцевой разрез 18 концентричный отверстию 14, а тарелка клапана 15 выполнена с кольцевым выступом 19. Средний диаметр кольцевого выступа 19 тарелки 15 равен среднему диаметру кольцевого разреза 18 капиллярной структуры перегородки 11, ширина выступа 19 меньше, чем у разреза 18, высота выступа 19 больше высоты участка 4 капиллярной структуры, примыкающего к разрезу 18, эффективный радиус участка 4 капиллярной .структуры отсека 12 с зоной 2 Подвода тепла меньше ширины разреза 18, а последняя меньше эффективт ного радиуса участка 5 капиллярной структуры отсека 13 с зоной 3 отвода тепла.

Привод клапана 15 выполнен в виде размещенной вне камеры 1 дуговой пружины 20, смешению концов которой в направлении линии Х-Х, расположенной по хорде дуги пружины 20, препятствуют неподвижные, упоры 21. К средней части пружины 20 прикреплен одним своим концом толкатель 22, на противоположном конце которого установлен цилиндр 23, снабженный концевыми упорами 24 и 25, между которыми расположен кольцевой выступ 17 щтока 16 клапана 15. Цилиндр 23 толкателя 22 герметично соединен со стаканом-вытеснителем 8 при помощи сильфона 26. Шток 10 отбора мошности снабжен прикрепленными к нему концевыми упорами 27 и 28, между которыми расположена средняя часть пружины 20 с возможностью взаимодействия с последними для циклического прогиба пружины 20 вдоль продольной оси двигателя. Между упорами 21 и стаканом-вытеснителем 8 установлена возвратная пружина 29 для перемещения стакана-вытеснителя 8 и связанного с ним штока 10 отбора мощности вверх при обратном ходе двигателя.

Рабо- а двигателя осушествляется следующим образом.

В начале работы клапан 15 перекрывает отверстие 14 в перегородке 11. За счет тепла, подводимого к двигателю в зо не 2, происходит испарение жидкого рабочего тела, насыщающего участок 4 капиллярной структуры, и давление в отсеке 12 камеры 1 повышается. Благодаря этому стакан-вытеснитель 8 и соединенный с ним

О шток 10 отбора мощности перемещаются вниз (рабочий ход двигателя). Тарелка клапана 15 в течение всего рабочего хода закрывает отверстие 14 в перегородке 11. Прижатие тарелки клапана 15 к перего, родке 11 обеспечивается за счет направленных вверх усилий дуговой пружины 20 и растянутого сильфона 26, а также за счет повышенного давления пара в отсеке 12. В конце рабочего хода воздействующий на клапан 15 через упор 24 толкатель 22 от0 крывает клапан 15, и пар через отверстие в перегородке 11 перетекает в отсек 13, где конденсируется на поверхности участка 5 капиллярной структуры в зоне 3 отвода тепла. Конденсат при открытом клапане 15 пе5 ретекает из участка 5 капиллярной структуры в ее участок 4 через кльцевой разрез 18 шириной d под действием капиллярных сил и сил тяжести. Так как давление в отсеке 12 после открытия клапана 15 падает, стаканвытеснитель 8 вместе со штоком 10 отбора

0 мощности движется вверх под действием усилий растянутого сильфона 7 и пружины 29. После того как давления в отсеках 12 и 13 выравниваются, толкатель 22 посредством упора 25 закрывает клапан 15, и цикл работы двигателя повторяется.

Утолщенные участки капиллярной структуры, покрывающие перегородку 11, служат накопителями конденсата и обеспечивают малое гидравлическое сопротивление при перетекании жидкого рабочего тела из от0 сека 13 в отсек 12. Количество рабочего тела в камере двигателя и размеры капиллярных структур на участках 4 и 5 подобраны таким образом, что к моменту открытия клапана 15 практически вся жидкая фаза рабочего тела, содержавшаяся в капилляр5ной структуре на участке 4, переходит в пар. Это позволяет свести к минимуму потери,-связанные с бесполезным переносом тепла из зоны 2 подвода в зону 3 отвода при открытом клапане 15.

0 п

При использовании в качестве привода

клапана 15 дуговой пружины 20 перед концом рабочего хода (клапан 15 закрыт, стакан-вытеснитель 8 движется вниз) пружина 20, взаимодействуя с неподвижными упора5 ми 21 и перейдя через нейтральную линию Х-Х, под действием сил упругости стремится перейти из устойчивого крайнего верхнего положения в нижнее устойчивое положение.

1ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий заполненную легкокипящим рабочим телом герметичную камеру с зонами подвода и отвода тепла, соединенными размещенной внутри камеры капиллярной структурой со стенками камеры, имеющими неподвижно закрепленный участок, соединенный при помощи эластичного участка с подвижным участком, установленным с возможностью осевого перемещения и связанным со щтоком отбора мощности, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, камера снабжена покрытой капиллярной структурой перегородкой с отверстием, перекрываемым тарельчатым клапаном с приводом, перегородка делит камеру на два отсека, в одном из которых расположена зона подвода тепла и эластичный участок стенок камеры, а в другом - зона отвода тепла,капиллярная структура перегородки в отсеке с зоной подвода тепла выполнена большей толщины, чем капиллярная структура зоны подвода тепла, и с кольцевым разрезом, концентричным отверстию, а тарелка клапана - с кольцевым выступом, средний диаметр которого равен среднему диаметру кольцевого разреза капиллярной структуры перегородки, щирина меньще, чем у этого разреза, высота больше высоты участков капиллярной структуры, примыкающих к разрезу, эффективный радиус капиллярной структуры отсека с зоной подвода тепла меньше ширины разреза,, а последняя меньше эффективного радиуса капиллярной структуры отсека с зоной отвода тепла. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что привод клапана выполнен в виде разi мещенной вне камеры дуговой пружины и прикрепленного к средней части пружины (Л толкателя, снабженного прикрепленными к С нему концевыми упорами для циклического взаимодействия с клапаном в осевом направлении, герметично соединенного с подвижным участком стенок камеры при помоши сильфона, а шток отбора мощности снабжен прикрепленными к нему концевыми упорами, между которыми размещена средняя часть пружины с возможностью взаи00 модействия с последними для циклического прогиба пружины вдоль продольной оси со двигателя.