Тепловой двигатель Советский патент 1986 года по МПК F03G7/06 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к устройствам преобразования тепловой энергии в механическую с твердым рабочим теплом из сплава с термомеханической памятью формы, и может найти применение для привода различных потребителей механической энергии.

Цель изобретения - более полное использование деформации тепловых элементов и повышение устойчивости работы путем устранения возможности взаимного са- мопроизвольного поворота барабанов двигателя.

На фиг. 1 изображен предлагаемый двигатель, пространственная схема; на фиг. 2 - то же, вид вдоль оси на один ряд тепловых элементов.

Двигатель содержит корпус 1, в котором эксцентрично один относительно другого установлены с возможностью вращения два станкообразных барабана - внутренний 2 и наружный 3. Диаметр внутреннего бара- бана 2 меньше диаметра наружного барабана 3. Барабан 2 вставлен в барабан 3 таким образом, что открытый торец первого направлен в сторону последнего. Барабаны 2 и 3 соединены между собой посредством шарниров 4 тепловыми эле- ментами 5 в виде цилиндрических спиралей из материала с термомеханической памятью, например из титано-никелево- го сплава, равнорасположенных по окружности. Термомеханическая память формы элементов 5 выражена в их сжатии при нагреве. Элементы 5 расположены между барабанами 2 и 3 в несколько рядов в плоскостях, перпендикулярных осям барабанов 2 и 3. К корпусу 1 прикреплена емкость 6 для пропускания через нее горячей среды 7 с температурой выше температуры структурного превращения элементов 5. Часть элементов 5, находящихся на участке уменьшения расстояния между барабанами 2 и 3, погружена в горячую среду 7. Двигатель снабжен соединяющей барабаны 2 и 3 передачей, выполненной в виде двух, расположенных внутри полости, образованной барабанами 2 и 3, идентичных колес 8 и 9, каждое из которых соосно прикреплено соответственно к барабанам 2 и 3, и промежуточного зубчатого колеса 10, введенного в зацепление с каждым из зубчатых колес 8 и 9 барабанов 2 и 3.

Двигатель работает следующим образом. При вращении наружного барабана 3 по часовой стрелке посредством зубчатых ко- лес 8-10 во вращение в том же направлении и с той же угловой скоростью приводится внутренний барабан 2. В результате вращения барабанов 2 и 3 тепловые элементы 5 переносятся по кольцевой траектории. Часть тепловых элементов при этом находится в емкости б с горячей средой 7 и нагревается в ней, а другая часть находится вне емкости 6 и охлаж

5 0

o 5

0

5

5

дается в потоке воздуха. Нагревающиеся тепловые элементы 5 при достижении температуры структурного превращения проявляют эффект термомеханической памяти, т. е. они стремятся принять заданную форму (сжаться), и при этом развивают значительное восстанавливающее усилие, которое передается барабанам 2 и 3. Это усилие создает два противоположно направленных момента, действующих на внутренний 2 и наружный 3 барабаны, при этом момент, действующий на барабан 3, больше момента, действующего на барабан 2. Разница моментов, действующих на барабаны 2 и 3, создает вращающий момент, который приводит барабаны 2 и 3 во вращение в направлении большего по величине момента. В случае взаимного расположения барабанов, изображенном на фиг. 1 и 2, барабаны 2 и 3 вращаются по часовой стрелке. Вследствие вращения барабанов 2 и 3 нагревающиеся тепловые элементы 5 постепенно сжимаются и при выходе из емкости 6 полностью восстанавливают свою форму, а в это время охлаждающиеся тепловые элементы 5 постепенно растягиваются и при входе в емкость 6 принимают наиболее растянутое положение. Таким образом, в течение одного оборота барабанов 2 и 3 образуется замкнутый рабочий цикл теплового элемента 5, включающий нагрев и охлаждение с одновременным сжатием и растяжением теплового элемента 5, сопровождаемые соответствующими структурными изменениями последнего. Так как тепловые элементы 5 расположены равномерно по окружности в несколько рядов, то все время часть тепловых элементов 5 находится в высокотемпературном состоянии и развивает восстанавливающие усилия, при этом рабочие циклы тепловых элементов 5 сдвинуты по времени один относительно другого, что обеспечивает непрерывное вращательное движение барабанов 2 и 3.

Для совмещения перехода тепловых элементов 5 из одной фазы деформации в другую с временем структурного превращения элементов 5 с учетом инерционности теплообменного процесса изменяют угол ц взаимного смещения барабанов 2 и 3 путем вывода зубчатых колес 8-10 из зацепления и, ввода их в зацеплении в новом положении. Без такой регулировки в случае ниже линии, связывающей центры барабанов, происходит сжатие тепловых элементов, а выше этой линии происходит их растяжение, т. е. изменение знака деформации происходит в положениях 11 и 12 (фиг. 2), и время структурного превращения элемента 5 не совпадает с временем изменения знака его д формации. При смещении барабанов 2 и 3 на угол ф (фиг. 2) в соответствующем направлении происходит смещение перехода тепловых элементов 5 из

одной деформации в другую, и сжатие тепловых элементов 5 происходит при их перемещении из положения 13 в положение 14, а растяжение - при перемещении из положения 14 в положение 13. Это позволяет замедлить во времени момент перехода из одной деформации в другую и таким образом совместить этот переход с временем структурного превращения теплового элемента 5. Для согласования интенсивности теплообменного процесса при нагреве элементов 5 в горячей среде 7 и при охлаждении их в окружающем воздухе изменяют положение верхнего уровня среды 7 в емкости 6, характеризующееся высотой h (фиг. 2).

фиг. 2