Тепловой двигатель

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 9) (11) 1) 4 1 03 С 7/06 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР ЕНИ К АВТОРСКОМУ С ТЕЛЬСТВУ(57) Изобретение относится к двигат лестроению и м.б. использовано для преобразования тепловой энергии низ котемпературных источников в механи ческую работу по поднятию полезного груза, Цель изобретения - повышение надежности двигателя. Переключатель 20 режимов работы выполнен в виде н порного и сливного трехходовых вентилей 21 и 22, трехходового вентиля1462022 23 нагрузки, рычагов (Р) 24, 25, 26 и 27, консольные концы которых шарнирно соединены между собой шатунрм 28, и гидравлического амортизатора 29. Противоположные концы Р 24, 25 и 26 закреплены на золотниках венти" лей 21, 22 и 23, а Р 24 шарнирно соединен с опорой и снабжен гребнем 30 с упорами 31 и 32 для взаимодействия с ограничителями перемещения переключателя. Гильза 38 амортизатора шарнирно соединена с опорой 9, а шток 39 поршня 40 - с шатуном. Аккумулятор выполнен в виде пружины, соединенной одним концом с силовым Р 10 посредством контргаек 49, а другим " с шатуном. Концы проволок рабочего элемента (РЭ) 2 загнуты и запаяны внутри двух держателей, выполненных в виде снабженных радиаторами нагрева теплоизолированных стаканов 5 и6, один из которых закреплен посредством втулки и контргаек на опоре, а другой соединен винтами, муфтой ие контргайками с Р 10. Стаканы предотИзобретение относится к машиностроению и приборостроению, а именно к тепловым двигателям, в которых для получения механической работы используются тепловые деформации рабочих элементов из материала с термомеханической памятью формы, и может быть использовано для преобразования тепловой энергии низкотемпературных ис- пО 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 повьппение надежности.На чертеже изображена принципиальная схема предлагаемого двигателя. 20Двигатель содержит установленный в корпусе 1 прямолинейный рабочий элемент 2, выполненный в виде пучка проволок из материала с термомехани ческой памятью формы, выраженной в вращают остаточную деформацию в торцах проволок РЭ путем поддержаниянагревом их стабильного аустенического состояния. Корпус 1 выполнен ввиде теплоизолированной снаружи поролоновым шлангом тонкостенной трубыиз материала с термомеханической памятью формы, выраженной в синхронном с РЭ уменьшении длины при нагреве и удлинении при охлаждении. Резервуары 62, 63 и 64, 65 горячего и холодного теплоносителя снабжены горя-:чим и холодным радиаторами 66, 67,причем верхние части резервуаров соединены между собой и с трубой газоводом 74, вакуумированным или заполненным инертным газом. Такое выполнение обеспечивает полный слив теплоносителя в резервуаре, балансировкудавления газа в незаполненных теплоносителем полостях резервуара, герметизацию гидроприводов от амплитудныхвоздействий и предотвращение возникновения газовых пробок. 1 ил. 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, выполненньпк 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, трехходового5 14620 1 и находящийся в ней элемент 2 охлаждается до температуры, при которой в результате проявления эффекта термомеханической памяти формы они начи 5 нают удлиняться. При этом совместное усилие рычага 10, балластного груза 15, пружины 47 и камер 18, 75 обеспечивает близкое к иэотермическому 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 за полняетсянеобходимой 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 25 50 выводит 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 30 этом холодный теплоноситель полностью сливается из трубы корпуса 1 в резервуар 65. Продолжительность данного процесса регламентирована краном 46 амортизатора 29. В крайнем нижнем положении шатун 28 фиксируется посредством стонорения гребня 30 собачкой 33, из резервуара 62 через вентиль 21, трубу корпуса 1 и вентиль 22 в резервуар 63 самотеком перетекаетогорячий теплоноситель. Труба корпуса 1 и элемент 2 нагреваются до температуй, при которой в результате проявления эффекта термомеханической памяти формы они уменьшаются в длине. 45 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 ло мере их деформации убывает).Ка-. меры 75 сжимаются и выдавливают из себя теплоноситель в резервуары 62, 64. Камера 18 сжимается и через вентиль 23 выдавливает из себя жидкость к потребителю. Пружина 47 сжимается и стремится переместить шатун 28вверх, однако последний из-за стопорения гребня 30 собачкой 33 на протя 22 6жении рабочего хода остается непод= вижным. Рабочий ход завершается, когда при крайнем верхнем положении рычага 10 упор 53 посредством толкателя 56 поднимает собачку 33, выводя 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 корпусав резервуар 63.Вкрайнем верхнем положении шатун 28 фиксируется посредством стопорения гребня 30 собачкой 34. Далее цикл повторяется,Резервуары 62-65 выполняют 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 газовод 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, а3 46202вентиля 23 нагрузки, четырех рычагов24-27, консольные концы которых шарнирно соединены между собой шатуном28, и гидравлического амортизатора529. Противоположные концы трех рычагов 24-26 переключателя 20 закреплены соответственно на золотниках вентилей 21, 22 и,23, а конец четвертогорычага 27 шарнирно соединен с опорой 109 и снабжен гребнем 30 с двумя упорами 31 и 32 для взаимодействия с ограничителями перемещения переключателя20, выполненными в виде прижатых кгребню 30 собачек 33 и 34, установлен ных на опоре 9 и связанных с последней при помощи пружины 35 и 36. Трехходовой вентиль 23 нагрузки соединенс насосной камерой 18 трубопроводом37. Гильза 38 амортизатора 29 шарнир- рно связана с опорой 9, а шток 39 егопоршня 40 - с шатуном 28. Поршень 40снабжен двумя жиклерами 41 и 42. Жиклек 41 содержит обратный клапан, 43 икран 44, а жиклер 42 - обратный Клапан 2545 и кран 46 для регулирования расхода заполняющего амортизатор 29 масла. Переключатель 20 снабжен такжемеханическим аккумулятором в видепружины 47, соединенной с силовым рычагом 10 посредством установленныхна последнем контргаек 48, а другимконцом " с шатуном 28. Силовой рычаг10 выполнен из двух ввинченных другв друга и застопоренных контргайками3549 труб 50 и 51 с установленными напоследних контргайками 52 для крепления балластного груза 15. Свободный конец силового рычага 10 снабженупором 53 и направляющей втулкой 54.Упор 53 соединен с собачкой 33 посредством прижатого к нему пружиной55 толкателя 56, снабженного винтом57 и контргайкой 58 регулированияего длины. Направляющая втулка 54 соединена через тягу 59, снабженнуюконтргайками 60 регулирования ее дли-,ны, с собачкой 34,1Корпус 1 выполнен в виде теплоизолированной снаружи поролоновымшлангом 5 О61 тонкостенной трубы из материалас термомеханической памятью формы,выраженной в синхронном с рабочимэлементом 2 уменьшении длины при нагреве и удлинении при охлаждении.Двигатель содержит также резерву"ары 62 и 63 горячего теплоносителяи резервуары 64 и 65 холодноготеплоносителя, снабженные соответственно 24горячим и холодным радиаторами 66 и67. Резервуары 62 и 63 соединены меж- .ду собой в замкнутый горячий контургидропроводом 68 посредством напорного трехходового вентиля 21, гибкихпатрубков 69, 70 трубы корпуса 1,сливного трехходового вентиля 22 ипитательного насоса 71 горячего теплоносителя. Аналогично резервуары64 и 65 соединены между собой в зам"кнутый холодный контур гидропроводом72 посредством напорного трехходового вентиля 21, гибких патрубков 69,70, сливного трехходового вентиля 22и питательного насоса 73 холодноготеплоносителя. Верхние части всех резервуаров 62-65 соединены между собойи с трубой корпуса 1 газоводом 74,вакуумированным или заполненным инертным газом. Каждый питательный насос71, 73 выполнен в виде сильфонной камеры 75 с двумя клапанами 76, Камеры75 установлены между опорой 9 и силовым рычагом 10. Подвижные стенки камер 75 насосов 71 и 73 соединены посредством коромысел 77, 78 между собой и с силовым рычагом 10. Все сильфонные камеры 18, 75 изготовлены изматериала, обладающего свойствомсверхпластичности, например из никелида титана; при отсутствии внешнихусилий 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 отокружающей среды. Установленные встаканах 5, 6 и резервуарах 62, 63радиаторы 3, 4 и 66 соединены с источниками тепловой энергии, напримерс солнечными коллекторами (на чертеже не показаны), а радиаторы 67 резервуаров 64, 65 - с источником хладагента, например с колодцем (на чертеже не показан).Резервуары 62, 64 и вентиль 21расположены выше корпуса 1, а резервуары 63, 65 и вентиль 22 - ниже корпуса 1.Тепловой двигатель работает следующим образом,При крайнем верхнем положении шатуна 28 иэ резервуара 64 через вентиль 21, трубу корпуса 1 и вентиль 22в резервуар 65 самотеком перетекаетхолодный теплоноситель. Труба корпуса62022 7 14расположенные в поршне 40 жиклеры 41,42 с клапанами 43, 45 и кранами 44,46 регламентируют продолжительностьпроцессов перехода от рабочего к холостому ходу и наоборот,что способствует предотвращению непроизводительного смешивания холодного и горячего теплоносиуелей в трубе корпуса 1,Шатун 28 переключателя 20 воспринимает со стороны пружины 47 лишьусилие, необходимое для поворота рычагов 24, 25, 26, и не испытывает непосредственного воздействия элемента 2.Теплоизолированные стаканы 5, 6 ивстроенные в них радиаторы 3 и 4 позволяют предотвратить остаточную деформацию в соединенных со стаканами5, 6 торцахпроволок элемента 2 путем поддержания нагревом их стабильного аустенитного состояния.Наблюдаемая у материалов с термомеханической памятью формы при марттенситном состоянии сверхпластичностьпрвышает надежность сильфонных камер18, 75 и распространяет сферу их.применения на области,где требуется достижение высоких давлений.Дно камеры 18 выполнено упругонеустойчивым для предотвращения отложения,солей и наносов путем "стряхивания" осадков на начальных стадияхрабочего и холостого хода.Все перечисленные факторы обеспечивают повьппение надежности предлагаемого двигателя по сравнению с прототипом. Формула 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 термомеханической памятью формы, выраженной в уменьшении длины элемента при нагреве, один конец последнего соединен с опорой, а другой посредством, тяги, снабженного балластным грузом силового рычага и . троса - с звеном нагрузки, по два резервуара горячего к холодного теплоносителей, а также снабженный механическим аккумулятором и соединенный ,с силовым рычагом переключательрежимов работы с двумя установленными 5 10 15 20 25 30 35 40 46 60 55 на опоре ограничителями его перемещения, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью повышения надежности, -.переключатель выполнен в виде напорного и сливного трехходовых вентилей,трехходового вентиля нагрузки, четырех рычагов, консольные концы которыхшарнирно соединены между собой шатуном, и гидравлического амортизатора,противоположные концы трех рычаговпереключателя закреплены соответственно на золотниках вентилей, а четвертого его рычага шарнирно соединенс опорой и дополнительно снабженгребцем с двумя упорами для взаимодействия с ограничителями перемещенияпереключателя, последние выполненыв виде прижатых к гребню подпружиненных собачек, гильза амортизатора шарнирно связана с опорой, а шток егопоршня - с шатуном, причем поршеньснабжен двумя, содержащими по клапану и крану, жиклерами, аккумуляторвыполнен в виде пружины, соединеннойодним концом с силовым рычагом посредством дополнительно установленныхна последнем контргаек, а другимконцом - с шатуном, силовой рычаг вйполнен из по крайней мере двух ввинченных друг в друга и застопоренныхконтргайкой труб с установленными наних контргайками для крепления балластных грузов, свободный конец силового рычага снабжен упором и направляющей втулкой, упор соединен содной из собачек посредством прижатого к нему дополнительно установленного подпружиненного толкателя,снабженного винтом и контргайкой регулирования его длины, а направляющаявтулка через дополнительно установленную снабженную контргайками регулирования ее длины тягу соединена с второй собачкой, концы проволок рабочего элемента загнуты и запаяны внутридвух держателей, выполненных в видеснабженных радиаторами нагрева теплоизолированных стаканов, один из которых закреплен посредством дополнительно установленных втулки и контргаек на опоре, а другой соединен посредством дополнительно установленных на тяге винтов, муфты и контргаекс силовым рычагом, корпус выполнен ввиде теплоизолированной снаружи поролоновым шлангом тонкостенной трубыиз материала с термомеханической памятью формы, выраженной в синхронномСоставитель Л. ТугаревТехред Л.Сердюкова Корректор Л. Патай Редактор М. Циткина Заказ Ь 55/33 Тираж 413 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,101 9 14620 с, рабочим элементом уменьшении длины 1 ри нагреве и удлинении при охлаждении; резервуары горячего и холодного теплоносителей дополнительно снабжены соответственно горячим и холодным ра 5 диаторами и соединены между собой соответственно в замкнутые горячий и холодный контуры дополнительно введенными гидропроврдами посредством йапорного трехходового вентиля, дополнительно установленных гибких патрубков трубы корпуса, сливного треходового вентиля и дополнительно усановленных питательных насосов соот б Эетственно горячего и холодного теплоносителей, верхние части всех ре" Вервуаров соединены между собой и с 22 10трубой корпуса дополнительно установленным газоводом, вакуумированнымили заполненным инертным газом, каждый питательный насос выполнен в виде сильфонной камеры с двумя клапанами, подвижные стенки камер питательных насосов соединены посредствомдополнительно установленных коромыселмежду собой и с силовым рычагом, азвено нагрузки выполнено в виде насосной сильфонной камеры с упругонеустойчивым дном, связанной с трехходовым вентилем нагрузки, при этом всеснльфонные камеры изготовлены из материала, обладающего свойством сверхпластичности, например из никелидатитана.