Тепловой двигатель

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

З(59 F 03 G 7 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМЪ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3450090/25-06 (22) 04.06.82 (46) 15.10.84. Бюл. № 38 (72) И. М. Блинчевский (53) 621.486 (088.8) (56) 1. Патент ФРГ № 821732, кл. 88 d 7/06, опублик. 1969.

2. Авторское свидетельство СССР № 688683, кл. F 03 G 7/00, 1974. (54) (57) /, ТЕПЛОВОЙ 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 штоком 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

„„SU„„1118797 А 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, ширина меньше, 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 и. 1, отличающийся тем, что привод клапана выполнен в виде размещенной вне камеры дуговой пружины и прикрепленного к средней части пружины толкателя, снабженного прикрепленными к нему концевыми упорами для циклического взаимодействия с клапаном в осевом направлении, герметично соединенного с подвижным участком стенок камеры при помощи сильфона, а шток отбора мощности снабжен прикрепленными к нему концевыми упорами, между которыми размещена средняя часть пружины с возможностью взаимодействия с последними для циклического прогиба пружины вдоль продольной оси двигателя.

11

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 для перекачки жидкости.

Известен тепловой двигатель, выполненный в виде .заполненной легкокипящим рабочим телом герметичной камеры с зонами подвода и отвода тепла с эластичным участком стенок в виде сильфона, один конец которого соединен с неподвижно закрепленным участком камеры, а другой, установленный с возможностью осевого перемешения — 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 расширения и сжатия камеры и возвратно-поступательного перемещения звена отбора мощности обеспечивается за счет внешнего сигнала, воздействующего на переключатель.

Наиболее близким к изобретению является тепловой 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 штоком отбора мощности (2).

В этом двигателе обеспечивается автоматическое переключение режимов расширения 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 раоочему 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.

18797

t5

so

2

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 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 штоком отбора мощности, 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, ширина меньше, 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.

При этом привод клапана выполнен в виде размещенной вне камеры дуговой пружины и прикрепленного к средней части пружины толкателя, снабженного прикрепленными к нему концевыми упорами для циклического взаимодействия с клапаном в осевом направлении, герметично соединенного с подвижным участком стенок,камеры при помощи сильфона, а шток отбора мощности снабжен прикрепленными к нему концевыми упорами, между которыми размещена средняя часть пружины с возможностью взаимодействия с последними для циклического прогиба пружины вдоль продольной оси двигателя.

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

1118797

3 стакана 6, соединенный при помощи эластичного участка, выполненного в виде сильфона 7, с подвижным участком, выполненным в виде стакана-вытеснителя 8. Последний установлен с возможностью осевого перемещения и связан посредством кронштейнов 9 со штоком 10 отбора мощности.

Камера 1 разделена поперечной перегородкой ll на отсек 12, в котором расположены зона 2 подвода тепла и эластичный участок стенок камеры 1 — сильфон 7, и отсек 13, 10 в котором расположена зона 3 отвода тепла.

Перегородка 11 покрыта капиллярнай структурой на участках 4 и 5. Капиллярная структура перегородки 11 в отсеке 12 выполнена большей: толщины, чем капиллярная структура зоны 2потвода тепла.

В перегородке 11 выполнено отверстие 14, перекрываемое тарельчатым клапаном 15.

Тарелка клапана 15 соединена с его штоком 16, имеющим на конце кольцевой выступ 17. В капиллярной структуре перего- 20 родки 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

25 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 30 участка 4 капиллярной,структуры отсека 12 с зоной 2 подвода тепла меньше ширины разреза 18, а последняя меньше эффектив-, 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, смещению 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 штока 16 клапана 15. Цилиндр 23 толкателя 22 герметично соединен со стаканом-вытеснителем 8 при помощи сильфона 26. Шток 10 отбора мощности 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.

Д

Рабоа двигателя осуществляется следующим образом.

В начале работы клапан 15 перекрывает отверстие 14 в перегородке 11. 3а счет тепла, подводимого к двигателю в зоне 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 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 перегородке 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 открывает 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 перетекает из участка 5 капиллярной структуры в ее участок 4 через кльцевой разрез !8 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 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 отсека 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 капиллярной 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.

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 упорами 21 и перейдя через нейтральную линию

Х-Х, под действием сил упругости стремится перейти из устойчивого крайнего верхнего положения в нижнее устойчивое положение.

1118797

Х

/с

Фиг 1

Составитель,Л. Тугарев

Техред И. Верес Корректор И. Муска

Тираж 464 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Редактор Н. Швыдкая

Заказ 7400/25

К моменту, когда дуговая пружина 20 перешла через линию Х-Х, упор 24 доходит до выступа 17 на штоке 16 клапана 15. Поэтому при дальнейшем движении середины дуговой пружины 20 вниз она увлекает за собой клапан 15 и открывает отверстие 14 в перегородке 11. Аналогично при взаимодействии упора 28 с пружиной 20 и упора 25 с выступом 17 на штоке 16 клапана 15 происходит закрытие отверстия 14 в перегородке 11 при движении стакана-вытеснителя 8 вверх.

При использовании изобретения обеспечивается повышение КПД дви гателя по сравнению с прототипом за счет исключения контактного термического сопротивления в зоне 3 отвода тепла и уменьшения тепла, переносимого из зоны 2 подвода к зоне 3 отвода при открытом клапане 15.