Устройство для преобразования тепловой энергии

(594 РОЗС 7 06 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТЮ ОПИСАН ОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ(54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ, содщее опору, по крайней мере одтермочувствительный элемент,ненныйиз материала, обладающесвойством запоминания формы пством термоупругого превращентенситной фазы, узел обратног 801194290 А ствия, подвикно установленный относительно термочувствительного элемента для приложения напрекения к элементу, деформации элемента при первой относительно низкой температуре и восприятия силы от элемента при его возвращении в нерастянутое -состояние при второй относительно высокой температуре, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью повышения надежности, оно содераит ограничитель напряжения, расположенный между узлом обратного действия и термочувствительным элементом на одном конце термочувствительного элемента с возмокностью взанмодей- ЕФ ствня с последним, а узел обратного действия смонтирован на опоре, причем термочувствительный элемент свя" зан с узлом обратного действия через ограничитель напряаенвя.О"Патент", г.ужгор роек каз 7331 бЗ ВНИИПИ по 113035Тираж 445 осударственного комит елам изобретений и от Москва, Ж, Раушска1194290 Изобретение относится к области преобразования тепловой энергии в механическую, а именнб к устройствам, в которых для получения работы используются тепловые деформации термочувствительных элементов из материала, обладающего свойствами запоминания формы посредством термоупругого превращения его мартенситной фазы.Целью изобретения является повышение надежности.Достижение этой цели обеспечивает,ся за счет ограничения напряжения"в ,термочувствительном элементе при возврате его в нерастянутое состояниепри нагреве.На фиг. 1 представлено описываемое устройство, общий вид; на фиг. 2 - вид А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез В-В на фиг, 2; на фиг. 4 - разрез С-С на фиг. 3; на фиг. 5 - вид А на фиг. 1 с частичным вырывом : в поперечном сечении; на фиг. 6 " разрез Пна фиг, 3; на фиг. 7 разрез Е-Е на фиг. 6; на фиг, 8 - увеличенный фрагмент. одной из пластин, к которой крепятся термочувствительные элементы; на фиг. 9 - увеличенный фрагмент разреза с частичным вырывом по термочувствительным элементам, проходящим между пластинами, с ограничителями напряжения в . виде пружин; на фиг. 10 - перспективный вид описываемого устройства в поперечном сечении с частичным вырывом.Устройство для преобразования тепловой энергии содержит опору 1 и, по ЗО Ограничитель 4 напряжения выполненв виде узла холостого хода, который в описываемом варианте. устройства представляет собой упругий элемент 5, установленный с возможностью свободного хода при взаимном перемещении 35,термочувствительного элемента 2 иузла 3 обратного действия. 2, Устройство по и. 1, о т л и - ч а ю щ е е с я тем, что ограничитель напряжения выполнен в виде упругого элемента, установленного с возможностью свободного хода при взаимном перемещении термочувствительного элемента и узла обратного действия.3. Устройство по пп. 1 и 2, о т - л и ч а ю щ е е с я тем, что упругий элемент расположен между термочувствительным элементом и несущим элементом, на котором установлен термочувствительный элемент. 4. Устройство по пп. 2 и 3, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что упругий элемент выполнен в виде спиральной пружины, расположенной вокруг одного конца термочувствительного элемента, для взаимодействия с последним при его сжатии.5. Устройство по и. 4, о т л и - ч а ю щ е е с я тем, что термочувствительный элемент выполнен в видс множества проволок, каждая иэ которых снабжена упругим элементом в виде спиральной пружины, расположенной вокруг одного ее конца. крайней мере один термочувствитель-.ный элемент 2, выполненный из материала, обладающего свойством запоминания формы посредством термоупруго го превращения мартенситной фазы,например, из нитинола или медноалюминиевоникелевого, медноцинкового, же.лезоплатинового, золотокадмиевого сплава. Подвижно относительно термо чувствительного элемента 1 уставовлен узел 3 обратного действия для приложения напряжения к элементу 2, деформации элемента 2 при первой от" носительно низкой температуре и вос приятия силы от элемента 2 при еговозвращении в нерастянутое состояние при второй относительно высокой температуре. Между узлом 3 обратного действия и термочувствительным эле ментом 2 на одном конце термочувствительного элемента 2 с возможностью взаимодействия с последним располо" жен ограничитель 4 напряжения, Узел3 обратного действия смонтирован на 25 опоре 1, причем термочувствительныйэлемент 2 связан с узлом 3 обратного действия через ограничитель 4 напряжения.1194 Термочувствительный элемент 2 установлен на несущем элементе 6, аупругий элемент 5 расположен междутермочувствительным элементом 2 и несущим элементом Ь.5Упругий элемент 5 выполнен. в видеспиральной пружины 7, расположеннойвокруг одного конца термочувствительного элемента 2, для взаимодействияс последним при его сжатии.Термочувствительный элемент 2 выполнен в виде множества проволок 8,каждая из которых снабжена упругимэлементом 5 в виде спиральной пружины 7, расположенной вокруг одного 15ее конца.Ограничитель 4 напряжения можетбыть выполнен иначе, чем в виде пружин 7, например, в виде предохранительной фракционной муфты с регулируемым предельным моментом трения илив виде другого устройства холостогохода.К внутренней стенке 10 опоры 1концентричйо оси 9 устройства прикреплены смещенные вдоль этой оси 9.одна относительно другой втулки 11и 12. На внутренних концах втулок11 и 12 выполнены образующие узел 3обратного действия кулачки 13 и 14с цилиндрическими наружными поверхностями 15 и 16 соответственно, а на. наружных концах втулок 11 и 12 выполнены внутренние гнезда подшипников17 и 18,Термочувствительные элементы 2в виде проволок 8 установлены на не-сущем элементе 6 в виде ротора 19,который, в свою очередь, установленна опоре 1 с возможностью вращенияна подшипниках 17 и 18. 25 Ротор 19 содержит верхнее колесо20, состоящее из втулки 21 и обода22, соединенных между собой спицами23, и нижнее колесо 24, состоящее из втулки 25 и,обода 26, соединенных между собой спицами 27. Верхнее 20и нижнее 24 колеса смещены один относительно другого вдоль оси 9 уст-ройства. К верхнему колесу 20 припомощи болтов 28 прикреплено кольцо29, представляющее собой наружноегнездо подшипника 17, а к нижнемуколесу 24 при помощи болтов 30 прикреплено кольцо 31, представляющее собой наружное гнездо подшипника 18. Кольцо 31 имеет фланец с прикрепленным:к нему уплотнением 32. Иежду ко 290 4лесом 20 и втулкой 1, а также междуколесом 24 и втулкой 12 расположеныуплотнительные узлы 33.На роторе 19 установлено несколько независимых модулей 34, расположенных по окружности вокруг оси 9,два из которых изображены на фиг. 4,Каждый из модулей 34 содержит груп"пу расположенных параллельно оси 9проволок 8, соединенных при помощигидравлической передачи 35 с ради"альным толкателем 36, взаимодействующим с одним из кулачков 13 или14. Каждая гидравлическая передача35 содержит гидравлическую камеру37, расположенную в одном из ободов22 или 26 колес 20 или 24 с подвижно установленным в камере 37 поршнем 38, ограничивающим внутреннийобъем 39 камеры 37, а также гидравлическую камеру 40, расположеннуюв одном из ободов 22 или 26, с подвижно установленным в камере 40поршнем 41, ограничивающим внутренний объем 42 камеры 40. Камеры 40закрыты пробками 43. Внутреннийобъем 39 камеры 37 сообщен посредством гидравлической магистрали (непоказана) с внутренним объемом 42камеры 40.Гидравлические передачи 35 соседних модулей 34 расположены ц разныхободах 22 и 26 соответственно верхнего .20 и нижнего 24 колес ротора19. Толкатели 36 модулей 34, гидравлические передачи 35 которых расположены в ободе 22 верхнего колеса,взаимодействуют с верхним кулачком13, а толкатели 36 модулей 34, гидравлические передачи 35 которых расположены в ободе 26 нижнего колеса24, взаимодействуют с нижним кулачком 14.Каждый из модулей 34 содержитпластину 44, прикрепленную к ободу22 или 26 одного из колес 20 или24, и пластину 45, подвижно соединенную с ободом 26 или 22 другогоколеса 24 или 20. Каждый модуль 34содержит также множество проволок 8установленных между пластинами 44 и45 и соединенных своими концами с пластинами 44 и 45. Пластины 44 прикреплены к ободам 22 и 26 болтами 46 с гайками 47. Болты 46 проходят через отверстия 48 в пластине 44 (фиг. 8) и через один из ободов 22 или 26, к которому пластина 44 при,креплена.194290 бдиальными прорезями 66. Опора 1 имеет наружную стенку 67, расположенную по окружности вокруг оси 9 и охваты" вающую ротор 19. Каждая иэ камер 63 и 64 соединена с двумя выполненными во внутренней стенке 10 опорывпу;.- кными отверстиями 68 верхним и нижним и с одним радиальным, выполненным в наружной стенке 67 опоры 1 вы- О пускным отверстием 69. Впускные отК подвижным пластинам 45 прикреп- ленЫ своими концами направляющие штифты 49, проходящие через обод 22 или 26 одного иэ колес 20 или .24. Каждый направляющий штифт 49 установлен с возможностью скольженияво втулках 50 из подшипникового ма" териала. На противоположных концах штифтов 49 установлены гайки 51, при помощи которых штифты 49 прикреплены к кронштейнам 52 с колодками 53, а последние при помощи резьбовых крепежных приспособлений 54 прикреплены к поршням 38 для создания давленйя жидкости в объеме 39 камеры 37 при укорачивании проволок 8. Каждый поршень 41 камеры 40 соединен болтом 55 с концом штока 56 толкателя 36. Другой конец штока 56 заканчивается 0-образной втулкой 57, в которой с воэможностью вращения установлен при помощи болта 58 ролик .59, взаидействующий с цилиндрической поверхностью 15 или 16 одного йз кулачков 13 или 14. При помощи болтов 55 на вилках 57 установлены направляющие планки 60, охватывающие противоположные боковые поверхности одного иэ кулачков 13 или 14. Штоки 56 уста" новлены в подшипниках 61 с воэможностью скольжения в радиальном направлении.Поршень 38 камеры 37 имеет большую площадь, которая подвергается воздействию жидкости гидравлической передачи 35, чем поршень 41 камеры 40. Поршни 38. установлены с возможностью перемещения параллельно цент" ральной оси 9 устройства, а поршни 41 " с воэможностью радиального перемещения. Внутреннее пространство ойоры 1, ограниченное проходящей по дугеокружности вокруг центральной оси 9внутренней стенкой 10, разделено четырьмя радиальными стенками 62 на четыре камеры, две из которых 63 являются горячими камерами, а другие две 4 - холодными камерами. Горячие камеры 63. расположены диамет" рально противоположно и каждая из иих примыкает к холодным камерам 64, которые в свою очередь расположены диаметрально противоположно одна относительно другой. Каждая из камер 63 и 64 снаружи ограничена внешней частью 65 стенки 10 с выполненными в ней параллельно.оси 9 раверстия 68, соединенные с горячими камерами 63, предназначены для подачи горячей текучей среды, а впускные отверстий 68, соединенные с холодны ми камерами 64, предназначены для подачи холодной текучей среды (например, воды). Текучей средой может быть также гаэ или газы, или комбинация жидкости и газа. Для уяснениявзаимного расположения впускных 68 и выпускных 69 отверстий последние условно вынесены на фиг, 3 в плоскость разреза В-В на фиг. 2.В выступающей части 70 опоры 1установлен с возможностью вращения на подшипниках 71 выходной вал 72, соединенный с выходным фланцем 73.На втулке 21 верхнего колеса 20 закреплено болтами 74 коническое зубчатое колесо 75, находящееся во внут- ЗОреннем зацеплении с коническим зубча тым колесом 76, прикрепленным к концу.выходного вала 72 для передачи вращения ротора 19 выходному валу 72.Каждая пружина 7 одним концом взаимодействует с концом проволоки 8, а другим,- с одной из пластин 44 или 45 ротора 19. В каждой кз пластин 44 и 45 выполнено множество обработанных цекованием отверстий 77..В каждом отверстии 77 расположена одна из спиральных винтовых пружин 7. В донной части каждого отверстия 77 каждой из пластин 44 и 45 выполнена выточка 78. Для соединения проволок 8 и винтовых пружин 7 в верхнюю часть каждой пружины 7 вставлена пробка 79, проволоки 8 пропущены через выполненные в пробках 79 скво зные канали с увеличенными углублениями 80 на их наружных концах. На концах проволок 8 выполнены увеличенные головки 81, расположенные в углублениях 80 пробок 79. В выточках 78 установлены пробки 82, в которых выполнены такие же, как и в пробках 79, сквозные каналы с углублениями 83 на их наружных концах. Концы проволок 8 пропущены через сквозные каналы пробок 82 и зафиксированы. своими увеличенными головками 81 в углублениях 83 пробок 82. Каждая пружи на 7 расположена вокруг. концов двух проволок 8. Проволоки 8 пропущены через каналы в пластинах 44 и 45 и затем через соответствующие пробки 79 и 82. Пробки 79 и 82 расположены параллельно проволокам 8 и смещены относительно примыкающих к ним пружин 7 в направлении, поперечном по отношению к осям проволок 8, таким образом, что каждая пробка 82 перекрывает две смежные пружины 7, и каждая пружина 7 перекрывает две пробки 82 (фиг. 8).Пружины 7 расположены поочередно у верхнего и нижнего концов соседних проволок 8 для уменьшения площади, занимаемой проволоками 8. Устройство для преобразования тепловой энергии работает следующим образом.Вода, нагретая выше температуры термоупругого превращения материала проволок 8, подается через четыре выпускных отверстия 68 в диаметрально 1 ротивоположные горячие камеры 63, а вода, охлажденная ниже температуры превращения материала проволок 8, подается через четыре остальные впускные отверстия 68 в холодные камеры 64. Вода проходит через камеры 63 и 64 и далее через радиальные прорези 66 и через каждую группу проволок 8 в каждом модуле 34 и вы". ходит из выпускных отверстий 69. Проволоки 8, связанные с толкателями 36, расположенными после гребня кулачков 13 и" 14 по ходу вращения ротора 19, на участке уменьшения расстояния толкателей 36 до центральной оси 9 устройства, подверга" ются воздействию относительно теп" лой воды, выходящей из прорезей 66 внешней части 65 стенки 1 О одной из горячих камер 63. Проволоки 8 нагреваются до температуры выше температуры превращения их материала и укорачиваются, вызывая перемещение под" вижной пластины 45 и связанного с ней поршня 38 вниз. При этом жидкость гидравлической передачи 35 вы" тесняется из внутреннего объема 39 камеры 37 во внутренний объем 42 связанной с этой камерой 37 камеры 40, в результате чего поршень 41 вместе со штоком 56 перемещается к оси 9, вынуждая ролик 59 толкателя36 обкатываться по поверхности 15или 16 соответствующего кулачка 13или 14. В результате взаимодействияроликов 59 и кулачков 13 и 14 возникает окружное усилие, под действиемкоторого ротор 19 вращается по часовой стрелке (фиг. 6).Проволоки 8, связанные с толкате лями 36, расположенными до гребнякулачков 12 и 14 по ходу вращенияротора 19, на участке увеличениярасстояния толкателей 36 до центральной оси 9 устройства подвергаются 15 воздействию относительно холоднойводы, с температурой ниже температуры превращения материала проволок 8.В результате проволоки 8 становятсяотносительно мягкими. Приводимые в 20 движение кулачками 13 и 14 толкате- ли 36, связанные с охлажденными про-,волоками 8, перемещаются в направлении к гребням кулачков 13 и 14, вынуждая поршни 41 перемещаться к пе риферийной части камеры 40, приближаясь к положению, показанному нафиг. 6. В результате сокращаетсявнутренний объем 42 камеры 40, ижидкость гидравлической передачи35 вытесняется во внутренний объем39 камеры 37, перемещая поршень 38камеры 37 вверх (фиг. 4). Это движение поршня 38 передается черезнаправляющие штифты 49 подвижнойпластине 45, что вызывает растяжениехолодных проволок 8 и увеличениеих длины. Для удлинения проволок 81в холодном состоянии. требуется меньше энергии, чем получается в реэультате сокращения проволок 8 в отн сиотельно теплом состоянии, в результате чего тепло преобразуется в механическую энергию вращения ротора19 в процессе восстановления меньшей 45длины проволок 8 при их нагреве.Поскольку имеется два квадрантадля каждой тепловой и холодной текучих сред, проходящих соответственно через горячие 63 и холодные 64камеры, проволоки 8 деформируются и 50 выводятся из деформированного состо яния дважды в течение каждого оборота ротора 19.Так как для деформации охлажденных пружин требуется меньшее усилие, 55,пружины 7 подбираются таким образом,что минимальноеих сжатие обеспечивается, когда проволоки 8 деформируются и удлиняются в относительно9 1 холодном состоянии. Когда же проволоки 8 нагреваются выше температуры термоупругого превращения их материала, возникает гораздо большее результирующее напряжение, кроме того, проволоки 8 имеют меньшую допустимую деформацию в нагретом состоянии, так как эффективный модуль упругос. ти материала проволок 8 увеличивается при нагреве выше температуры превращения. Пружины 7 ограничивают деформации проволок 8, когда они находятся в нагретом состоянии, когда 19429010пружины 7 сжимаются, не допуская тем самым увеличения напряжений в проволоках 8 сверх заданного предела и предупреждая тем самым превышение допустимой деформации проволок 8.Поскольку описываемое устройствосимметрично относительно плоскости, проходящей диаметрально через гребни 1 О кулачков 13 и 14, то ротор 19 можетвращаться в любом направлении, в котором он предварительно будет запущен.