Тепловой двигатель Советский патент 1989 года по МПК F03G7/06 

1

Изобретение относится к машиностроению и приборостроение, а именно к тепловым двигателям, в которых для получения механической работы исполь зуются тепловые деформации рабочих элементов из материала с термомеханической памятью формы, и может быть использовано для преобразования тепловой энергии низкотемпературных ис- точников в механическую работу по поднятию полезного груза, например для обеспечения водоподъема из находящегося в пустыне колодца путем использования горячей воды солнечного кол- лектора.

Целью изобретения является повыше мие надежности.

На чертеже изображена принципиальная схема предлагаемого двигателя.

Двигатель содержит установленный в корпусе 1 прямолинейный рабочий элемент 2, выполненный в виде пучка проволок из материала с термомеханической памятью формы, выраженной в

уменьшении длины элемента 2 при нагреве, например из никелида титана. Концы проволок рабочего элемента 2 загнуты и запаяны внутри двух держателей, выполненных в виде снабженных радиаторами 3 и 4 нагрева стаканов 5 и 6. Стакан 5 закреплен посредством втулки 7 и контргаек 8 на неподвижной опоре 9, а стакан 6 шарнирно соединен с силовым рычагом 10 посредством тяги 11, состоящей из винтов 12 и зафиксированной на них при помощи контргаек 13 муфты 14. Силовой рычаг 10 снабжен балластным грузом 15 и соединен посредством троса 16, пропущенного между роликами 17, с звеном нагрузки, вьшолненным в виде насосной сильфонной камеры 18 с упругонеустойчивым дном 19.

С силовым рычагом 10 соединен переключатель 20 режимов работы двигателя, выполненный в виде напорного- .и сливного трехходовых вентилей 21 и 22,соответственно, трехходового

1 и находящийся в ней элемент 2 охлаждается до температуры, при которой в результате проявления эффекта термомеханической памяти формы они начинают удлиняться. При этом совместное усилие рычага 10, балластного груза 15, пружины 47 и камер 18, 75 обеспечивает близкое к изотермическому протекание холостого хода (нагрузка на элемент 2 и трубу корпуса 1 по мере их деформации нарастает). Камеры 75 расширяются и заполняются теплоносителем из резервуара 64, 65. Камера 18 расширяется и через вентиль 23 заполняется необходимой потребителю двигателя жидкостью. Пружина 47 растягивается и стремится переместить шатун 28 вниз, однако последний из-за стопорения гребня 30 собачкой 34 на протяжении холостого хода остается неподвижным. Завершению холостого хода соответствует занятие рычагом 10 крайнего нижнего положения, при котором втулка 54 посредством тяги 50 вьшодит собачку 34 и гребень 30 из застопоренного состояния, под действием пружины 47 шатун 28 и регулирующие рычаги 24, 25 и 26 вейтилей 21, 22 и 23 начинают опускаться.При этом холодньй теплоноситель полностью сливается из трубы корпуса 1 в резервуар 65. Продолжительность данного процесса регламентирована краном 46 амортизатора 29. В ррайнем нижнем положении шатун 28 фиксируется посредством стопорения гребня 30 собачкой 33, из резервуара 62 через вентиль 21, трубу корпуса 1 и вентиль 22 в резервуар 63 самотеком перетекает горячий теплоноситель. Труба корпуса 1 и элемент 2 нагреваются до темпера- , при которой в результате проявления эффекта термомеханической памяти формы они .умен зшаются в длине. Совместное усилие рычага 10, балластного груза 15, пружины 47 и камер 18 75 обеспечивает близкое к изотермическому протекание рабочего хода (нагрузка на элемент 2 и трубу корпуса 1 ото мере их деформации убывает),Каг меры 75 сжимаются и вьщавливают из себя теплоноситель в резервуары 62, 64. Камера 18 сжимается и через вентиль 23 вьщавливает из себя жидкость к пот ребителю. Пружина 47 сжимается и стремится переместить шатун 28 .. вверх, однако последний из-за стопо- рения гребня 30 собачкой 33 на протя

5

0

5

0

5

0

5

0

5

жении рабочего хода остается неподвижным. Рабочий- ход завершается, когда при крайнем верхнем положении рычага 10 упор 53 посредством толкателя 56 поднимает собачку 33, вьшодя гребень 30 из застопоренного состояния. Под действием пружины 47 шатун 28 и регулирующие- рычаги 24, 25, 26 поднимаются. При этом происходит регламентированный по времени краном 44 слив горячего теплоносителя из трубы корпуса 1 в резервуар 63.В..крайнем верхнем положении шатун 28 фиксируется посредством стопорения гребня 30 собачкой 34. Далее цикл повторяется.

Резервуары 62-65 вьтолняют функцию гидроаккумуляторов-рекуператоров, обеспечивающих стабильное рабочее состояние двигателя.

Соединение газовода 74 с трубой корпуса 1 обеспечивает возможность полного слива теплоносителя из этой трубы в резервуары 63, 65 во время движения рычагов 24, 25,26, когда оба подводящих канала вентиля 21 перекрыты.

Газовод 74 обеспечивает балансировку давления газа в незаполненных теплоносителем полостях резервуаров 62-65 и гидропроводов 68, 72, позволяя герметизировать последние от атмосферного воздействия и предотвратить возникновение газовых пробок.

Не приводящее к вскипанию теплоносителя вакуумирование или заполнение инертным газом полостей газовода 74 позволяет уменьшить непроизводительный конвективный теплообмен через га- зовод 74 соответственно путем снижения плотности газа или замещения среды с высокой теплотранспортирующей способностью на химически инертный по отношению к теплоносителю двигателя газ с низкими теплообменными свойствами.

Описанная конструкция переключателя 20 режимов работы гарантирует фактическую независимость работоспособности двигателя от времени реализации рабочего и холостого хода, а также обусловливает возможность оперативной переналадки двигателя с целью приспособления его к изменившимся условиям поступления и потребления энергии.

Амортизатор 29 гасит ударные воздействия со стороны пружины 47 на точный механизм переключателя 20, а

вентиля 23 нагрузки, четырех рычагов 24-27, консольные концы которых шар- нирно соединены между собой шатуном

28,и гидравлического амортизатора

29.Противоположные концы трех рычагов 24-26 переключателя 20 закреплены соответственно на золотниках вентилей 21, 22 и,23, а конец четвертого рычага 27 шарнирно соединен с опорой 9 и снабжен гребнем 30 с двумя упорами 31 и 32 для взаимодействия с ограничителями перемещения переключателя

20, вьшолненными в виде прижатых к гребню 30 собачек 33 и 34, установлен ных на опоре 9 и связанных с последней при помощи пружины 35 и 36. Трехходовой вентиль 23 нагрузки соединен с насосной камерой 18 трубопроводом 37. Гильза 38 амортизатора 29 шарнир- но связана с опорой 9, а шток 39 его поршня 40 - с шатуном 28. Поршень 40 снабжен двумя жиклерами 41 и 42. Жик- лек 41 содержит обратный клапан, 43 и кран 44, а жиклер 42 - обратный йяапан 45 и кран 46 для регулирования расхода заполняющего амортизатор 29 масла. Переключатель 20 снабжен также механическим аккумулятором в виде

горячим и холодным радиаторами 66 и 67. Резервуары 62 и 63 соединены между собой в замкнутый горячий контур гидропроводом 68 посредством напорного трехходового вентиля 21, гибких патрубков 69, 70 трубы корпуса 1, сливного трехходового вентиля 22 и питательного насоса 71 горячего теплоносителя. Аналогично резервуары 64 и 65 соединены между собой в замкнутый холодный контур гидропроводом 72 посредством напорного трехходового вентиля 21, гибких патрубков 69,

70,сливн ого трехходового вентиля 22 и питательного насоса 73 холодного теплоносителя. Верхние части всех резервуаров 62-65 соединены между собой и с трубой корпуса 1 газоводом 74, вакуумированным или заполненным инертным газом. Каждый питательный насос

71,73 выполнен в виде сильфонной камеры 75 с двумя клапанами 76. Камеры 75 установлены между опорой 9 и силовым рычагом 10. Подвижные стенки камер 75 Н4СОСОВ 71 и 73 соединены посредством коромысел 77, 78 между собой и с силовым рычагом 10. Все силь- фонные камеры 18, 75 изготовлены из

Изобретение относится к двигате- лестроению и м.б. использовано Для преобразования тепловой энергии низкотемпературных источников в механическую работу по поднятию полезного груза. Цель изобретения - повышение надежности двигателя. Переключатель 20 режимов работы вьтолнен в виде напорного и сливного трехходовых вентилей 21 и 22, трехходового вентиля

пружины 47, соединенной с силовым ры- зо материала, обладающего свойством

чагом 10 посредством установленных на последнем контргаек 48, а другим концом - с шатуном 28. Силовой рычаг 10 выполнен из двух ввинченных друг в друга и застопоренных контргайками 49 труб 50 и 51 с установленными на последних контргайками 52 для крепления балластного груза 15. Свободный конец силового рычага 10 снабжен упором 53 и направляющ ей втулкой 54. Упор 53 соединен с собачкой 33 посредством прижатого к нему пружиной 55 толкателя 56, снабженного винтом 57 и контргайкой 58 регулирования

его длины. Направляющая втулка 54 со- же не показаны) , а радиаторы 67 ре- единена через тягу,. 59, снабженную зервуаров 64, 65 - с источником хлад- контргайками 60 регулирования ее дли-. агента, например с колодцем (на черны, с собачкой 34.теже не показан). Корпус 1 выполнен в виде теплоизо- Резервуары 62, 64 и вентиль 21 лированной снаружи поролоновым шлангом 50 расположены вьш1е корпуса 61 тонкостенной трубы из материала с термомеханической памятью формы, выраженной в синхронном с рабочим элементом 2 уменьшении длины при нагреве и удлинении при охлаждении. gg

1, а резерДвигатель содержит , резервуары 62 и 63 горячего теплоносителя и резервуары 64 и 65 холодного теплоносителя, снабженные соответственно

вуары 63, 65 и вентиль 22 - ниже корпуса 1.

Тепловой двигатель работает следующим образом.

При крайнем верхнем положении шатуна 28 из резервуара 64 через вентиль 21, трубу корпуса 1 и вентиль 22 в резервуар 65 самотеком, перетекает холодный теплоноситель. Труба корпуса

сверхпластичности, например из нике- лида титана; при отсутствии внешних усилий или стремятся занять максимальный объем, то есть расшириться.

Патрубки 69, 70, газовод 74 и вентили 21, 22 изготовлены из теплоизоляционных материалов, а стаканы 5, 6, гидропроводы 68, 72, камеры 75 и резервуары 62-65 теплоизолированы от

окружающей среды. Установленные в стаканах 5, 6 и резервуарах 62, 63 радиаторы 3, 4 и 66 соединены с источниками тепловой энергии, например с солнечными коллекторами (на чертеоры 67 ре- чником хлад- ем (на чернтиль 21

1, а резерже не показаны) , а радиаторы 67 ре- зервуаров 64, 65 - с источником хлад- агента, например с колодцем (на чертеже не показан). Резервуары 62, 64 и вентиль 21 расположены вьш1е корпуса

вуары 63, 65 и вентиль 22 - ниже корпуса 1.

Тепловой двигатель работает следующим образом.

При крайнем верхнем положении шатуна 28 из резервуара 64 через вентиль 21, трубу корпуса 1 и вентиль 22 в резервуар 65 самотеком, перетекает холодный теплоноситель. Труба корпуса

расположенные в поршне 40 жиклеры 41, 42 с клапанами 43, 45 и кранами 44, 46 регламентируют продолжительность процессов перехода от рабочего к холостому ходу и наоборот,что способствует предотвращению непроизводительного смешивания холодного и горячего теплоносителей в трубе корпуса 1.

Шатун 28 переключателя 20 воспринимает со стороны пружины 47 лишь усилие, необходимое для поворота рычагов 24, 25, 26, и не испытывает непосредственного воздействия элемента 2.

Теплоизолированные стаканы 5, 6 и встроенные в них радиаторы 3 и 4 позволяют предотвратить остаточную деформацию в соединенных со стаканами 5, 6 торцах проволок элемента 2 путем поддержания нагревом их стабильного аустенитного состояния.

Наблюдаемая у материалов с термомеханической памятью формы при март тенситном состоянии сверхпластичност првьшает надежность сильфонных камер 18, 75 и распространяет сферу их применения на области, где требуется достижение высоких давлений.

Дно камеры 18 вьтолнено упругоне- устойчивым для предотвращения отложения -солей и наносов путем стряхивания осадков на начальных стадиях рабочего и холостого хода.

Все перечисленные факторы обеспечивают пов,ъш1ение надежности предлагаемого двигателя по сравнению с прототипом.

Фо рмула изобретения

Тепловой двигатель, содержащий по крайней мере один установленный в корпусе и выполненный в виде пучка закрепленных концами в держателях проволок прямолинейный рабочий элемент из материала с термомеханическо памятью формы, вьфаженкой в згменьше- нии длины элемента при нагреве, один конец последнего соединен с опорой, другой посредством .тяги, снабженного балластным грузом силового рычага и . троса - с звеном нагрузки, по два резервуара горячего и холодного теплоносителей, а также снабженный меха- ническим аккумулятором и соединенный с силовым рычагом переключатель;режимов работы с двумя установленными

0

на опоре ограничителями его перемещения, отличающийся тем, что, с целью повьшения надежности, -. переключатель выполнен в виде напорного и сливного трехходовых вентилей, трехходового вентиля нагрузки, четырех рычагов, консольные концы которых шарнирно соединены между собой шатуном, и гидравлического амортизатора, противоположные концы трех рычагов переключателя закреплены соответственно на золотниках вентилей, а четвертого его рычага шарнирно соединен

5 с опорой и дополнительно снабжен гребнем с двумя упорами для взаимодействия с ограничителями перемещения переключателя, последние выполнены в виде прижатых к гребню подпружиненных собачек, гильза амортизатора шарнирно связана с опорой, его поршня - с шатуном, причем поршень снабжен двумя, содержащими по клапану и крану, жиклерами, аккумулятор

5 выполнен в виде пружины, соединенной одним концом с силовым рычагом посредством дополнительно установленных на последнем контргаек, а другим концом - с шатуном,силовой рычаг выполнен из по крайней мере двух ввинченных друг в друга и застопоренных контргайкой труб с установленными на них контргайками для крепления бал- ластных грузов, свободный конец силового рычага снабжен упором и направляющей втулкой, упор соединен с одной из собачек посредством прижатого к нему дополнительно установленного подпружиненного толкателя,снаб0 женного винтом и контргайкой регулирования его длины, а направляющая втулка через дополнительно установленную снабженную контргайками регулирования ее длины тягу соединена с втос рой собачкой, концы проволок рабочего элемента загнуты и запаяны внутри двух держателей, выполненных в виде снабженных радиаторами нагрева теплоизолированных стаканов, один из кото - рых закреплен посредством дополнительно установленных втулки и контргаек на опоре, а другой соединен посредством дополнительно установленных на тяге винтов, муфты и контргаек с силовым рычагом, корпус выполнен в виде теплоизолированной снаружи поролоновым шлангом тонкостенной трубы из материала с тёрмомеханической памятью формы, выраженной в синхронном

0

5

0

55

9146202210

с рабочим элементом уменьшении длины трубой корпуса дополнительно установ- При нагреве и удлинении при охлажде- ленным газоводом, вакуумированным нии; резервуары горячего и холодного или заполненным инертным газом, каж- теплоносителей дополнительно снабжены дый питательный насос выполнен в ви- соответственно горячим и холодным ра- де сильфонной камеры с двумя клапа- диаторами и соединены между собой со- . нами, подвижные стенки камер питатель- ответственно в замкнутые горячий и ных насосов соединены посредством холодный контуры дополнительно вве- дополнительно установленных коромысел денными гидропроврдами посредством Q между собой и с силовым рычагом, а йапорного трехходового вентиля, до- звено нагрузки вьшолнено в виде на- Оолнительно установленных гибких пат- сосной сильфонной камеры с упругоне- рубков трубы корпуса, сливного трех- устойчивым дном, связанной с треххо- :содового вентиля и дополнительно ус- довым вентилем нагрузки, при этом все тановленных питательных насосов соот- 5 сильфонные камеры изготовлены из ма- Ьетственно горячего и холодного теп- териала, обладающего свойством сверх- ч|1оносителей, верхние части всех ре- пластичности, например из никелида Ьервуаров соединены между собой и с титана.