Двигатель с внешним подводом тепла

 

(В) RU (11) 200 (51) 5 F 02, G 1 04

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам г

f г, ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

IC ПАТЕНТУ

ЬЭ

CO

CO

ЬЭ О

ОО (21) 4905317/06 (22) 25.01.91 (46) 15.10.93 Бюп. ¹ 37-3В (76) Измалков Герман Иванович (54) ДВИГАТЕЛЬ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ

ТЕПЛА (57) Использование: двигателестроение, силовые установки и двигатели с замкнутым циклом. Сущность изобретения: двигатель содержит цилиндр, поршень, размещенный в цилиндре и разделяющий его объем на надпоршневую и подпоршневую полости, механизм преобразования двигателя, нагреватепь, регенератор и охпадитепь, установленные в магистрали, выходной вап. Двигатель снабжен дополнительными нагревателем. регенератором и охпадитепем, установленными в дополнительной ма— гистрапи, втулкой, размещенной на цилиндре через подшипник и связанной зубчатой передачей с выходным валом, поршень выполнен с двумя торцо— выми продольными выступами, каждый нагреватель сообщен с соответствующими охпадитепем и по— постыл гри помощи вспомогательных магистрапей, в которых установлены подпружиненные относи— тельно цилиндра клапаны Механизм преобразова— ния выполнен в виде магнитной связи, причем на наружной поверхности поршня и внутренней поверхности втулки установлены равномерно по окружности C чередованием разноименных полюсов постоянные магниты, обращенные один к другому разноименными попюсами. Постоянные магниты, установленные на поршне, расположены в шахматном порядке с копичеством магнитов в каждом ряду, равном количеству магнитов на втулке. 6 ип.

2001298

35 охладитель.

50

Изобретение относится к преобразованию тепловой энергии в механическую за счет теплового расширения газов и может быть использовано в качестве привода в различных областях народного хозяйства.

Известны различные двигатели с внешним подводом тепла, например двигатель с внешним подводом тепла (см,авт.св.М

1509561, кл. F 03 G 7/06, опублик 1989), содержащий корпус и ротор с двумя эксцентричными кольцами, связанный с выходным валом зубчатой передачей, выполненной в виде двух зубчатых венцов, введенных друг с другом во внутреннее зацепление, одно из колец выполнено в виде зубчатого венца передачи и втулки, связанных между собой термочувствительными элементами в виде тонкостенных лопаток, а второй зубчатый венец передачи выполнен на другом кольце и втулка выполнена в виде двух обручей, выполненных один в другом с зазором, на одном обруче выполнены осевые канавки, а на другом — выступы, взаимодействующие с канавками.

Однако такой двигатель имеет большие габариты.

Известны различные двигатели Стирлинга, например двигатель с внешним подводом тепла (см.Даниличев В.Н. и др.

Двигатели Стирлинга. М.: Машиностроение, 1977, с,83-86, рис.45), содержащий корпус, цилиндр. рабочий и вытеснительный поршни с их штоками, механизм преобразования движения, нагреватель, генератор и

Недостатком этого двигателя является наличие, кроме рабочего, еще и вытесни,тельного поршня, большое количество уплотнений, Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигнутому результату является двигатель с внешним подводом тепла, содержащий корпус с цилиндром, в котором размещен поршень, связанный с механизмом задания закона движения и разделяющий внутреннее пространство цилиндра на нагреваемую и охлаждаемую полости, сообщенные через нагреватель, регенератор и охладитель, источник тепла, подключенный к нагреваемой полости при помощи тепловой трубки, выполненной в виде кожуха, жидкостный аккумулятор тепла и устройство регулирования передачи тепла к нагревателю в виде дополнительной тепловой трубки, один конец которой подключен к нагреваемой полости, а другой — к охлаждаемой (1).

Недостатками этого двигателя являются недостаточная надежность и недостаточно высокий его КПД.

Положительный эффект предложенного двигателя достигается тем, что он содержит цилиндр, поршень, размещенный в цилиндре и разделяющий его объем на надпоршневую и подпоршневую полости, механизм преобразования движения, нагреватели, регенераторы и охладители, установленные в магистрали для каждой полости отдельно, выходной вал, связанный зубчатой передачей с втулкой, размещенной на цилиндре через подшипник, поршень выполнен с продольным выступом, связанным с цилиндром телами качения, каждый нагреватель сообщен с соответствующим охладителем и оба они — с соответствующей полостью цилиндра через подпружиненные клапаны, механизм преобразования выполнен в виде магнитной связи, причем на наружной поверхности поршня и внутренней поверхности втулки установлены равномерно по окружности с чередованием разноименных полюсов постоянные магниты, обращенные один к другому разноименными полюсами, и магниты, установленные на поршне, размещены в шахматном порядке с количеством магнитов в каждом ряду, равном количеству магнитов на втулке, Целью изобретения является повышение надежности и КПД.

На фиг,1 схематично показан предложенный двигатель, продольный разрез; на фиг,2 — разрез А-А на фиг,1; на фиг,З вЂ” в развертке положение магнитов втулки и магнитов соединения поршней на их цилиндрических поверхностях и относительно друг друга (для наглядности магниты втулки заштрихованы в одну сторону, а магниты соединения поршней — в другую; на фиг,4— клапан, разделяющий полости цилиндра и нагревателя, в открытом состоянии: на фиг,5 — то же, что и на фиг.4, но клапан в закрытом состоянии: на фиг.6 — разрез Б-Б на фиг,5.

В корпусе 1 двигателя имеются две соосные цилиндрические полости 2 и 3, в которых расположены поршни 4 и 5, жестко связанные между собой цилиндрическим соединением 6, имеющим одинаковый с ними диаметр. В корпусе 1 в.подшипнике 7 установлена соосная соединению 6 и поршням 4 и 5 втулка 8, которая имеет зубчатый венец 9, находящийся во внешнем зубчатом зацеплении с зубчатым венцом 10, жестко связанным с выходным валом 11, расположенном в подшипнике 12. Втулка 8 связана с соединением 6 через магнитную связь, выполненную следующим образом. На внутренней цилиндрической поверхности втулки 8 помещенным равномерно по ее окружности с чередованием разноименных

2001298

55 полюсов постоянные магниты lÇ. Таким же образом и в таком же количестве на окружности на наружной цилиндрической поверхности соединения 6 размещены постоянные магниты 14, но окружностей их не одна, а несколько (на фиг.3 их три) и между собой они расположены в шахматном порядке. Поршни 4 и 5 на их торцах имеют продольные пластинчатые выступы

15, в теле которых с возможностью вращения размещены тела качения, например шарики 16, через которые выступы 15 взаимодействуют с корпусом 1 для удержания поршней 4 и 5 от вращения. Для каждой полости 2 и 3 в корпусе 1 имеются нагреватель 17, регенератор 28 и охладитель 19.

Полость нагревателя 17 сообщена с полостью 2 или 3 через клапан 20, шарнирно и с воэможностью скольжения установленный в корпусе 1 и подпружиненный с наружной стороны корпуса 1 пружиной 21, которая работает на закрытие клапаном 20 нагревателя 17 со стороны полости 2 или 3, Охладитель 19 сообщен с полостью 2 или 3 клапаном 22, шарнирно и с возможностью скольжения установленным в корпусе 1 и подпружиненным с наружной стороны корпуса 1 пружиной 23, которая работает на открытие охладителя 19 со стороны полости

2 или 3. Нагреватель 17 связан с охладителем 19 клапаном 24, шарнирно и с возможностью скольжения установленным в корпусе 1 и подпружиненным с наружной стороны корпуса 1 пружиной 25, которая работает на открытие нагревателя 17 со стороны пространства нагревателя 17, Полости

2 и 3 и их нагреватели 17, регенераторы 18 и охладители 19 заполнены рабочим телом, например водородом, при среднем давлении 85-260 атм. Эти пространства по обе стороны от соединения 6 надежно уплотняются друг от друга поршнями 4 и 5, Шарнирные соединения с воэможностью скольжения в корпусе 1 клапанов 20, 22 и 24 надежно удерживают рабочее тело от утечки в окружающее пространство эа счет тщательности выполнения сопрягаемых поверхностей, Клапаны 20, 22 и 24 одинаково устроены, поэтому на фиг.4-6 они представлены клапаном 20. Пружины 21, 23 и 25 отличаются друг от друга по жесткости.

Предложенный двигатель работает следующим образом.

Так как поршни 4 и 5 жестко связаны между собой соединением 6, то, когда поршень 4 движется под действием расширяющегося рабочего тела, поршень 5 вытесняет рабочее тело из объема цилиндрической полости 3, а затем наоборот. Когда поршень 4 или 5 после ревеоса своего движения начи5

50 нает свое движение в сторону увеличения обьема соответственно полости 2 или 3, заполненного расширяющимся от его нагрева в нагревателе 17 рабочим телом, в этот момент открыт только клапан 20, так как давление рабочего тела в нагревателе 17 больше, чем давление его в полости 2 или 3, а пружина 21, работающая на закрытие клапана 20 со стороны объема полости 2 или 3, не может пересилить эту разность давлений рабочего тела со стороны нагревателя 17.

Пружина 23 сжимается тем, что давление в полости 2 или 3 в этот момент значительно больше, чем в охладителе 19, и клапан 22 закрыт. Пружина 25 сжимается тем, что давление в нагревателе 17 в этот момент значительно больше, чем в охладителе 19, и клапан 24 закрыт. При подходе поршня 4 или 5 к положению его следующего реверса на расстояние 0.03-0,3 от его хода давление расширяющегося от нагрева рабочего тела уменьшается от занятия им достаточно большого обьема настолько, что пружина 21 закрывает клапан 20, а пружина 23 и 25 открывают соответственно клапаны 22 и 24.

Такое положение клапанов 20, 22 и 24 сохраняется при реверсе движения поршня 4 или

5 и изменяется лишь при подходе их на расстояние 0,03-0,3 части от их хода для этой полости 2 или 3 к положению следующего реверса. В этот момент закрываются клапаны 22 и 24, так как давление рабочего тела, сжимаемого поршнем 4 или 5. становится достаточно большим и в полости 2 или

3 соогветственно, а также и в охладителе 19 меньше, чем в нагревателе, чтобы достаточно сжать пружины 23 и 25 для закрытия соответственно клапанов 22 и 24. В этот момент рабочее тело, охлажденное в охладителе 19 перестает поступать в нагреватель 17. В нагревателе 17 в этот момент рабочее тело имеет самую низкую температуру, но самую большую массу в объеме нагревателя 17 за весь цикл. В охладителе

19 рабочее тело в этот момент имеет самое высокое давление эа цикл и самую высокую температуру за цикл. От этого момента и до момента реверса температура рабочего тела в нагревателе 17 начинает стремительно повышаться, но клапан 20 открывается только после реверса на удаление 0,01-0,06 расстояния части хода поршня 4 или 5 от положения этого реверса, так как давление рабочего тела в нагревателе 17 не может превзойти суммарное усилие со стороны пружины 21 и давления в соответственно полости 2 или 3. Затем следует описанный выше ход поршня 4 или 5 от расширения нагретого рабочего тела и т.д. Преобразование возвратно-поступательного движения

2001298

1

Ig поршней 4 и 5 во вращательное движение втулки 8 (и через зубчатые венцы 9 и 10 вращение втулки 8 передается на вал 11 и наоборот) осуществляется эа счет магнитной связи через магниты 13 и 14, взаимодействие которых приводит к вращению втулки

8 или при ведущем вале 11 — к возвратно-поступательному движению поршней 4 и 5.

При эаводке двигателя, например, через стартер (не показан) ход поршней 4 и 5 четко ограничен расстоянием между окружностями, проходящими через середины крайних магнитов 14. При дальнейшей работе двигателя, когда вал 11 становится ведомым, энергоемкость рабочего тела за цикл колеблется в зависимости от режима работы двигателя, ход поршней 4 и 5 может изменяться

Формула изобретения

ДВИГАТЕЛЬ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛА, СОдержащий цилиндр, поршень, размещенный в цилиндре и разделяющий его обьем на надпоршневую и подпоршневую полости, механизм преобразования движения, нагреватель, регенератор и охладитель, установленные в магистрали, выходной вал, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и КПД, он снабжен дополнительными нагревателем, регенератором и охладителем, установленными в дополнительной магистрали, втулкой, размещенной на цилиндре через подшипник и связанной зубчатой передачей с выходным валом, поршень выполнен с двумя торцевыми продольными выступами, связанными с цилиндром через тела качения, 5 18 в сторону увеличения или уменьшения, Однако практически эти изменения режимов не могут отрицательно повлиять на нормальное преобразование движений порш5 . ней 4 и 5 во вращательное движение втулки

8 и вала 11, так как, будучи ведомым, вал 11 имеет достаточно большой запас энергии за счет момента инерции его самого и вращающихся деталей, связанных с иим, и в мо10 мент реверсов движения поршней 4 и 5 становится на этот момент ведущим. Это обеспечивает минимальность отклонения хода поршней 4 и 5 при всех режимах работы двигателя от самой благоприятной нормы.

15 (56) Патент СССР N626708,,кл. F 02 С 1/043, 1974. каждый нагреватель сообщен с соответствующими охладителем и полостью при по- мощи вспомогательных магистралей, в

25 которых установлены подпружиненные относительно цилиндра клапаны, механизм преобразования выполнен в виде магнитной связи, причем на наружной поверхности поршня и внутренней поверхности втулки установлены равномерно по окружности с чередованием разноименных полюсов постоянные магниты, обращенные друг к другу разноименными полюсами, и постоянные магниты, установленные на поршне, расположены в шахматном порядке с количеством магнитов в каждом ряду, равным количеству магнитов на втулке.

75 ф

2001298

2Р 2

2001298

Составитель

Редактор Л.Волкова Техред M.Mîðãåíòàë Корректор С,Лисина

Заказ 3121

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва. Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101