Тепловой двигатель

/О ч 5 Р 03 Б Т АВТОРСКО ТЕЛЬС ил. лово узел ГОСУДАРСТ 8 ЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР(71) Киевский политехнический институт им, 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции(72) В.А.Ерошенко (ЯО) и Чан Ван Зуат (/й) (53) 621,486 (088.8)(56) Авторское свидетельство СССР М 1126714, кл. Е 03 С 7/06, 1983.Авторское свидетельство СССР Ь. 1397616, кл. Е 03 Сз 7/06, 1986.(57) Изобретение относится к теплознерге. тике, позволяет повысить удельную мощность двигателей с внешним подводом тепла с твердыми термочувствительными элементами из материала с термомеханической памятью и может быть использовано в качестве привода различных потребителей механической энергии, работающего за счет тепловой энергии ниэкотемпера гурных источников, Двигатель содержит размещенные в корпусе 1 в зазорах 2 и 3, образованИзобретение относится к теплоэнергетике, а именно к тепловым двигателям с внешним подводом тепла с твердыми термочувствительными элементами иэ материала с термомеханической памятью, и может быть использовано в качестве привода различных потребителей механической энергии, работающего эа счет тепловой энергии низкотемпературных источников тепла.Цель изобретения - повышение удельной мощности,На фиг.1 представлен предлагаемый тепй двигатель, осевой разрез; на фиг.2 - 1 на фиг,1 (узел кинематической связи 1620666 А ных двухступенчатыми коаксиальными цилиндрическими контактными нагревателем 4 и холодильником 5, термочувствительные геликоидальные спирали б и 7 иэ материала с термомеханической памятью. Одни концы спиралей б и 7 соединены с корпусом 1, а другие - с валом 8 посредством закрепленных на последнем дисков 9 и 10. Ступень 13 меньшего диаметра нагревателя 4 размещена внутри ступени 14 большего диаметра нагревателя 4. Спирали 6 и 7 соединены с валом 8 в противофазе. При нагреве одной из спиралей 6 или 7 она "вспоминает" форму, приданную ей при изготовлении, поворачивает вал 8, совершая рабоий ход, и перемещается до контакта с холодильником 5, одновременно перемещая другую охлажденную податливую спираль 7 или б, соответственно холостой ход, до контакта ее с нагревателем 4, Гри охлаждении модуль упругости материала спиралей б и 7 резко уменьшается. Далее рабочий ход совершается другой нагретой спиралью 7 или одной из термочувствительных спиралеи е диском); на фиг.3 - узел 1 на фиг.1 (узел кинематической связи другой термочувствительной спирали со своим диском).Тепловои двигатель содержит размещенные в корпусе 1 в зазорах 2 и 3, образованных коаксиальными цилинидрическими контактными нагревателем 4 и холодильником 5, термочувствительные элементы в виде геликоидальных спиралей б и 7 иэ . материала с термомеханической памятью изменения их кривизны. Одни концы спиралей б и 7 соединены с корпусом 1, а другие - с расположенным коаксиально нагревателю5 10 15 20 Г) 5 30 35 40 45 50 вторяется 4 и холодильнику 5 валом 8 отбора м,цнс.- сти посредством жестко закрепленных нэ последнем дисков 9 и 10. Нагреватель 4 и холодильник 5 выполнены в виде двухступенчатых полых цилиндров, теплоизолированных друг ат друга и от окружающей среды теплоизаляционным материалом 11 и теплоизоляционными втулками 12. Ступень 13 меньшего диаметра нагревателя 4 размещена внутри ступени 14 большего диаметра холодильника 5, а ступень 15 меньшего ди аметра холодильника 5 - внутри ступени 16 большего диаметра нагревателя 4, В дисках 9 и 10, закрепленных на противоположных концах вала 8, выполнены радиальные прорези .7 и 18, Спирали б и 7 связаны с дисками 9 и 10 посредством пальцев 19 и 20 и установленных в прорезях 17 и 18 роликор 21 и 22. Зазоры 2 и 3 между нагревателем 4 и холодильником 5 вакуумированы. Ступени 13 и 16 соответственно меньшего и большего диаметров нагревателя 4 связаны между собой при помощи теплопроводящих винтов 23, Неподвижные концы 24 и 25 спиралей 6 и 7 соединены с корпусом 1 в зонах стыковки ступеней 14 и 15 большего и меньшего диаметра: холодильника 5. Вал 8 размещен во внутоенних полостях секций 13 и 15, закреплен одним концом в подшипнике 26, а другим связан с обьектом 27 рабоы, Нагреватель 4 и холодильник 5 имеют теплопрозодные крышки 28 и 29 соо. еетственна, удеоживаемыс винтами 30. В крышке 29 холодильника 5 расположен сальник 31 для удержания вакуума в зазорах 2 и 3,Тепловой двигатель работает следующим образом,С учетом симметричности его конструкции (фиг,1) рассмотрим вначале процесс преобразования тепловой энергии в механическую на примере работы его нижней части, где расположены ступень 16 нагревателя и ступень 15 холодильника, Расположенная в зазоое 3 между ними спираль б еще на стадии изготовления намотана на стержень с диаметром, в точности равным наружному диаметру ступени 15 холодильника 5, и "зэневолена" при температуре нагревателя 4, т,е. при этой температуре и геометрии спираль б "запоминала" свою форму. При охлаждении в результате структурного превращения спираль 6 теряет свои упругие свойства и под действием небольших внешних усилий может легко принимать любую форму, в том члсле в точности повтаряющу о форму внутренней поверхности ступени 15 нагревателя 4, т.е, может плотна прижаться к этой поверхности. Спираль 6 при температуре холодильника 5 при изготовлении перемещают из положения,изображенного на фиг.1 сплошной ли;я;е.;, в положение, изобрэженнсе штриховой линией, т.е, прижимают спираль б к внутренней поверхности ступени 16 нагревателя 4,После прогрева спираль 6 "вспоминает" заданную ей при изготовлении форму и са. мопроизвольно переходит в положение, при котором она плотно охватывает ступень 15 холодильника 5, Этот переход осуществляется скачком. При указанном пеоеходе большие термоупругие силы спирали 6 через палец 19 и ролик 21 (фиг.3) поворачивают на строго фиксированный угол диск 9 и вал 8 двигателя фиг,1), так.как другой конец 24 спирали 6 закреплен в корпусе 1, Таким образом совершается рабочий такт двигателя. После этого, будучи прижатой к ступени 15 холодильника 5, спираль б охлаждается и становится податливой вследствие резкога уменьшения модуля упругости ее материэ. ла. Чтобы замкнуть цикл, необходимо теперь приложить небольшое внешнее усилие и осу цествить холостой ход спирали б з сторону внутренней повсрхности ступени 16 нагревателя 4, например воздействовать на вал 8 и через киняматическую связь диск 9 - прорезь 17 - ролик 21 - палец 19 - спираль 6 прижать последнгою при температуре холодильника 5 к высокотемпературной поверхности ступени 1 о нагревателя 4,Б процессе указанного перехода спираль 6 не успевает существенно повысить свою температуру из-за практического отсутствия теплообмена (конвекцлей и теплопроводностью) в вакуумированном зазоре 3, В области температур, при которых работают подобные нитиноловые двигатели, радиационная составляющая теплообмена между ступенью 16 нагревателя 4 и спиралью б нлчтожно мала. Будучи прижатой в холодном состоянии к нагревателю 4, спираль б прогревается и, достигнув температуры нагревателя 4, "вспоминает" заданную ей форму, перемещаясь под действием большого усилия через зазор 3 в сторону секции 15 холодильника 5, При этом она совершает рабочий такт - угловой поворот диска 9, Далее описанный цикл работы поВерхняя часть двигателя (фиг,1) выполнена симметричной с нижней, но рабочий такт спирали 7 совпадает с холостым ходом спирали б, поэтому двигатель сам одновременна с раскручиванием спирали 6 через вал 8, диск 10, прорезь.18, ролик 22 и палец20 скручивает спираль 7, когда последняясовершает холостой ход,Перекрестное совпадение рабочего такта спирали 7 с холостым тактом спирали 6достигается тем, что в процессе изготовления спирали 7 и ее термической обработки указанная спираль 7 "заневоливается" при температуре нагревателя 4 на стержне, внешняя поверхность которого в точности повторяет внутреннюю цилиндрическую поверхность ступени 14 холодильника 5, При тэкой технологии изготовления спираль 7 при высокой температуре нагревателя 4 "запоминает" форму внутренней поверхности цилиндрической ступени 14 холодильника 5. Поэтому, будучи прижатой к наружной поверхности ступени 13 нагревателя 4, после прогрева спираль 7 самопроизвольно и с большим усилием перемещается в сторону ступени 14 холодильника 5, совершая рабочий такт. После охлаждения спираль 7 теояет упругие свойства, и ее лего скручивает рабочее усилие спирали 6, прижимая спираль 7 к ступени 13 нагревателя 4. После прогрева на цилиндрической поверхности ступени 13 спираль 7 совершает рабочий такт, поворачивая вал 8 и раскручивая в холостом такте спираль 6.Указанным образом совершается непрерывное угловое знакопеременное вращение вала 8 в условиях непрерывного подвода теплоты 01 и отвода теплоты 02 (фиг.1). Полезная работа, выполняемая двигателем, равна разности 01 - 02, а термический КПД д определяется выражением у = =(01 - 02)/0 ь Вал 8 двигателя может быть связан с обьектом 27 работы посредством какого-либо известного п реобразователя не показан), на выходе которого можно получить непрерывное вращательное или поступательное движение,Опытный макет предлагаемого теплового двигателя изготовлен в лаборатории кафедры автоматических теплоэнергетических процессов. В качестве материала термочувствительных спиралей 6 и 7 использован нитинол, двухступенчатые нагреватель 4 и холодильник 5 выполнены из меди. Обьектом 27 работы двигателя служил гидронасос мемб ранного типа. Испытания двигателя показали его высокую удельную мощность и надежность,Формула изобретения10Тепловой двигатель, содержащий размещенный в корпусе в зазоре, образованном цилиндрическими контактными коаксиальными нагревателем и холодиль ником, термочувствительный элемент в виде геликоидальной спирали из материала с термомеханической памятью изменения ее кривизны, причем один конец спирали соединен с корпусом, а другой - с расположен ным коаксиально нагревателю ихолодильнику валом отбора мощности посредством жестко закрепленного на последнем диска, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения удельной мощно сти, он дополнительно снабжен спиралью сдиском, размещенной в зазоре, образованном нагревателем и холодильником, последние выполнены в виде двухступенчатых полых цилиндров, теплоизолированных 30 друг от друга, ступень меньшего диаметранагревателя размещена внутри ступени большего диаметра холодильника, а ступень меньшего диаметра холодильника - внутри ступени большего диаметра нагрева теля, в дисках, закрепленных на противоположных концах вала, выполнены радиальные прорези, спирали связаны с дисками посредством дополнительно установленных в прорезях роликов, а зазоры между 40 нагревателем и холодильником вэкуумировэны.Составитель Л.ТугаревТехред М.Моргентал Корректор Н.Ко актор Ч,Петрова Заказ 4229 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретенилм и открыти 113 О 35, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 СССР роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 1