Тепловой двигатель Советский патент 1985 года по МПК F03G7/06 

2.Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что термочувствительный и возвратный элементы выполнены в виде змеевиков.

3.Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что термочувствительный и возвратный элементы выполнены в виде скоб или петель.

4.Двигатель по пп. 1 и 2, или 3, отличающийся тем, что источники нагрева и охлаждения, трубопроводы горячего и холодного теплоносителей и элементы объединены в замкнутый контур.

5. Двигатель по п. 4, отличающийся тем, что каждый элемент снабжен установленным с возможностью продольного перемещения в нем поршнем, например, в виде шарика и седлами для взаимодействия с поршнем, установленными на концах элемента в местах его соединения с трубопроводами горячего и холодного теплоносителей.

1. ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий подвижную и неподвижную опоры и установленные между ними упругий термочувствительный элемент из материала с термомеханической памятью его переменной длины и упругий возвратный элемент, а также источники попеременного нагрева и охлаждения термочувствительного элемента, отличающийся тем, что, с целью повышения удельной мощности, источники нагрева и охлаждения имеют трубопроводы соответственно горячего и холодного теплоносителей, подвижная опора выполнена в виде щтока с упорными фланцами по торцам, проходящего через отверстие, выполненное в неподвижной опоре, возвратный элемент также выполнен из материала с термомеханической памятью его переменной длины, а оба элемента - в виде полых труб, полость каждой из них соединена с одной стороны с трубопроводом горячего, а с другой - с трубопроводом холодного теплоносителей, элементы расположены по разные стороны от неподвижной опоры, охватывая подвижную опору. (Л е со .4 О) иг.1

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателям, преобразуюш,им тепловую энергию в механическую за счет скачкообразных тепловых деформаций термочувствительных элементов из материала с термомеханической памятью формы, и может быть использовано в качестве привода звеньев с возвратно-поступательным движением (например, насосов или ударных механизмов) как в составе стационарных, так и мобильных установок. Такой двигатель работает за счет энергии низкотемпературных источников тепла, например, солнечной энергии или энергии термальных источников, а также на любом топливе, что обеспечивает возможность его применения в условиях необжитых районов, отдаленных от баз снабжения, транспортных магистралей и линий электропередач, например в геологических и изыскательских партиях, на метеорологических станциях и т. п. Известен тепловой двигатель, содержаший подвижную и неподвижную опоры и установленный между ними упругий термочувствительный элемент из материала с термомеханической памятью его формы из сплава никеля и титана (нитинола), а также источники попеременного нагрева и охлаждения термочувствительного элемента {. Недостатком этого двигателя является его низкая удельная мош,ность, обусловленная потерями на рассеяние тепловой энергии и недостаточно полным возвратом формы термочувствительного элемента при его охлаждении. Наиболее близким из известных к предлагаемому является тепловой двигатель, содержащий подвижную и неподвижную опоры и установленные между ними упругий термочувствительный элемент из материала с термомеханической памятью его переменной-длины и упругий возвратный элемент, а также источники попеременного нагрева и охлаждения термочувствительного элемента 2. В данном двигателем за счет введения упругого возвратного элемента обеспечивается более полный возврат исходной формы термочувствительного элемента в охлажденном состоянии, однако удельная мощность его также недостаточно высока из-за потерь на рассеяние тепловой энергии и из-за неравномерного нагрева различнь1х сторон термочувствительного элемента, из которых лишь одна сторона обращена к тепловому потоку, что приводит к перекосу термочувствительного элемента и к потере мощности. Цель изобретения - повышение удельной мощности. Указанная цель достигается тем, что в тепловом двигателе, содержащем подвижную и неподвижную опоры и установленные между ними упругий термочувствительный элемент из материала с термомеханической памятью, его переменной длины и упругий возвратный элемент, а также источники попеременного нагрева и охлаждения термочувствительного элемента, источники нагрева и охлаждения имеют трубопроводы соответственно горячего и холодного теплоносителей, подвижная опора выполнена в виде штока с упорными фланцами по торцам, проходящего через отверстие, выполненное в неподвижной опоре возвратный элемент также выполнен из материала с термомеханической памятью его переменной длины, а оба элемента - в виде полых труб, полость каждой из них соединена с одной стороны с трубопроводом горячего, а с другой - с трубопроводом холодного теплоносителей, элементы расположены по разные стороны от неподвижной опоры, охватывая подвижную опору. Термочувствительный и возвратный эле менты в варианте устройства выполнены в виде змеевиков. В другом варианте термочувствительный и возвратный элементы выполнены в виде скоб или петель. Источники нагрева и охлаждения, трубопроводы горячего и холодного теплоносителей и элементы объединены в замкнутый контур. Каждый элемент снабжен установленным с возможностью продольного перемещения в нем поршнем, например, в виде шарика и седлами для взаимЪдействия с поршнем, установленными на концах элемента в местах его соединения с трубопроводами горячего и холодного теплоносителей. На фиг. 1 представлена конструктивная . ..„„ ,,„ схема предлагаемого двигателя с крайним левым положением его подвижной опоры при нагреве левого и охлаждении правого элемента; на фиг. 2 - схема взаимодействия элементов с неподвижной опорой и с подвижной опорой в крайнем правом положении последней при нагреве правого и охлаждении левого элемента; на фиг. 3 вариант выполнения термочувствительных элементов в виде одинарных скоб; на фиг. 4вариант выполнения термочувствительных элементов в виде двойных скоб; на фиг. 5 вариант выполнения термочувствительных элементов в виде петель; на фиг. 6 - вариант выполнения термочувствительного элемента в виде змеевика с шариковым поршнем и с седлами на концах элемента; на фиг. 7 -. схема преобразования возвратнопоступательного перемещения термочувствительных элементов во вращательное при помощи кривошипно шатунного механизма; на фиг. 8 - принципиальная схема сваебойного агрегата или бурового станка для ударного бурения с приводом от описываемого двигателя; на фиг. 9 - схема водоподъемнои установки с приводом от описыБаемого двигателя; на фиг. 10 - схема насоса с приводом от описываемого двига Двигатель содержит подвижную опору 1,выполненную в виде штока с упорными фланцами 2 и 3 по торцам, а также неподвижную опору 4, являющуюся каркасом всего устройства. Подвижная опора 1 прогходит через отверстие 5, выполненное в неподвижной опоре 4. Между подвижной 1 и неподвижной 4 опорами установлены упругие термочувствительные и они же возвратные элементы 6 и 7, выполненные (фиг. 1 2,6 и 7), например, в виде полых трубчатых змеевиков, расположенных по разные стоРОНЫ от неподвижной опоры 4, охватывающих подвижную опору I и упирающихся одними своими концами в ее фланцы 2 и 3,а другими концами - в неподвижную опору 4. Элементы 6 и 7 выполнены из материала с термомеханической памятью их переменной длины, например из нитиночла. Двигатель имеет источник 8 нагрева и источник 9 охлаждения с трубопроводами соответственно 10 горячего и 11 холодного теплоносителей. Источники 8 и 9 нагрева и охлаждения, трубопроводы 10 и 11 и элементы 6 и 7 объединены в замкнутый контур, причем концы элементов 6 и 7 у неподвижной опоры соединены с трубопроводом 10 горячего теплоносителя, а противоположные концы элементов 6 tt 7 у фланцев 2 и 3 соединены с трубопроводом 11 холодного теплоносителя посредством гибких шлангов 12 и 13. Насос 14 для перекачивания теплоносителей для наглядности показан на фиг. 1 установленным на трубопроводе 10 горячего теплоносителя, однако предпочтительнее для улучшения условий его работы устанавливать насос 14 на трубопроводе II холодного теплоносителя. Каждый элемент 6 и 7 (фиг. 6) снабжен установленным с возможностью продоль„ого перемещения в нем поршнем 15, наприемер, в виде шарика, для разделения горячего и холодного теплоносителей, а седлами 16 и 17 для взаимодействия поршнем 15, выполненными на концах элементов 6 и 7 в местах их соединения с трубопроводами 10 горячего и 11 холодного теплоносителей. Для уменьщения трения между фланцами 2 и 3 и элементами 6 и 7 могут быть установлены кольца 18 и 19, выполняющие роль подшипникдв. Термочувствительные элементы 6 и 7 могут -- .. быть выполнены в виде труб любой изогнутой формы, которая обеспечивала бы возможность значительного перемещения одного их конца относительно другого без существенного изменения их внутреннего объе маТ скаждой стороны от нёподвижной оры 4 может быть установлено любое количество элементов 6 и 7, при этом число „ с обеих сторон не обязательно долж„ равным. Оно определяется назначением двигателя и функциями приводимого им в движение механизма. Двигатель работает следующим образом. Заполняют всю систему трубопроводов 10 и 11 теплоносителем - водой, маслом или т. п. жидкостью, температура испарения которой выще критической температуры материала, из которого изготовлены термочувствительные элементы 6 и 7. Затем начинают подводить тепло в источнике 8 нагрева и нагревать находящуюся в трубопроводе 10 жидкость. Когда температура жидкости превысит критическую температуру материала элементов 6 и 7, включают привод насоса 14 (это может быть электропривод или механический привод, работающий от самого двигателя, в последнем случае запуск насоса можно производить вручную), Горячий теплоноситель поступает в полость термочувствительного элемента 6, заполняет ее, отодвигая поршень 15 в сторону трубопровода 11 холодного теплоносителя до упора поршня 15 в седло 17, и нагревает элемент 6. При нагреве элемента 6 выше критической температуры его материала проявляется эффект его термомеханической памяти формы, в результате чего элемент 6 распрямляется, перемеш ая подвижную опору 1 в крайнее левое положение. После того как шток опоры 1 достигнет крайнего положения, насос 14 реверсируют, нагнетая горячий теплоноситель по трубо- 0 проводу 10 в противоположный элемент 7. Поток горячего теплоносителя, заполняя полость элемента 7, отодвигает поршень 15 в сторону трубопровода 11 холодного теплоносителя, выдавливая из этой полости хо- ., лодный теплоноситель через источник 9 охлаждения в противоположный элемент 6. В полости элемента 6 шаровой поршень 15 отодвигается в сторону трубопровода 10 горячего теплоносителя, выдавливая из нее теплую жидкость в трубопровод 10 и в 20 источник 8 нагрева. При нагреве элемента 7 выше критической температуры его материала он претерпевает термоупругое превращение, распрямляется и перемещает опору 1 в крайнее правое положение, в то же 25 время противоположный элемент 6, охладившись, теряет упругость и не препятствует перемещению опоры 1 вправо. Доит дя до крайнего правого положения, щток опоры 1 взаимодействует с переключателем направления потока теплоносителей зо (не показан) и переключает его. Горячий теплоноситель вновь поступает в левый элемент 6, который при нагреве увеличивает свою упругость, в то время как правый элемент 7, охладивщись, упругость теряет, и шток опоры 1 из крайнего правого 35 перемешается в крайнее левое положение. Далее процесс работы периодически повторяется. В процессе каждого цикла поршень 15, достигнув конца элемента 6 или 7, упи.рается в его седло 16 или 17, пыполаял роль клапана и отделяя горячий теплоноситель от холодного, что обеспечивает нагрев и отбор тепла непосредственно от термочувствительных элементов 6 и 7 и уменьшает расход энергии на поддержание необходимого теплового режима. Предлагаемый тепловой двигатель может испрльзоваться в качестве привода различных устройств. Двигатель прост по конструкции, имеет повышенную мощность за счет рационального использования тепловой энергии при размещении тракта теплоносителей внутри термочувствительных элементов и разделении горячего и холодного теплоносителей подвижным поршнем. В таком двигателе достаточно просто осуществляетСя регулирование амплитуды перемещения рабочего органа и развиваемого им усилия. Это достигается изменением расхода подаваемых насосом теплоносителей, В случае необходимости может быть осуществлен переход на ручное управление, например, при помощи золотника изменяя направление потока теплоносителей. В качестве источника энергии для данного двигателя можно использовать любой тепловой источник - энергию сгорания газа, уля, нефти и нефтепродуктов, растительных и животных горючих веществ, элетроэнергию, химические источники тепла, тепло солнца, геотермальных вод и т. д. Двигатель характеризуется также экологической безопасностью, уменьшением или полным отсутствием вредного воздействия на окружающую среду. .

lZ

iiJV giL-I

Фиг.З

4