Тепловой двигатель

СООЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 747743 А 1 сзоз Р 03 О 7/06 ф, 1 (НИЕ ИЗОБ оеобьединение сится к преобразоваи геотермальнын вод, вателей и других возсточников вмеханичельзованием тепловыхрабочих элементов, еханической памятью Изобретение атно нию тепловой энерги солнечных водонагре обновляемых энергои скую энергию с испо деформаций твердых обладающих термам формы.резервуаями,тановлен шарнирно ные концы тветствуюости. имезервуаров в теплонолен одним. адающий-ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Авторское свидетельство СССР ЬЬ 1462022, кл. Р 03 6 7/06, 1989.54) ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ57) Изобретение относится к преобразованию тепловой энергии геотермальных вод, солнечных водонагревателей и других воз-. обновляемых энергоисточников в механическую энергию с использованием тепловых деформаций твердых рабочих элементов (РЭ), обладающих термомеханической памятью формы ( ТПФ).Целью изобретения является повышение производительности. Усилие, возникающее при изменении длины РЭ 1, 2 с ТПФ. работающих в противофазе, передается через рычаги 16, 17, тросы 20, 22 и рычаги 21, 23 соответственно на коробку 10 передач, позволяющую регулировать скорость вращения вала 9 в зависимости от температуры теплоносителя в баке 24, В Известен тепловой двигатель, содержщий круглую в плане емкость, разделенну баке 24 установлен датчик температуры в виде РЭ 49 с ТПФ, управляющий рычагом 55 переключателя коробки 10. Второй датчик температуры в виде РЭ 40 с ТПФ управляет золотником 46 пускового клапана 25, что позволяет автоматически запускать двигатель в случае его остановки из-за понижекия температуры теплоносителя в баке 24, Открытие вентиля 25 осуществляется автоматически при достижении температурой теплоносителя в баке 24 величины, достаточной для реализации ТПФ РЭ 40. Наличие датчика температуры, выполненного в виде РЭ 66 с ТПФ в баке 58, позволяет подключать дополнительный холодильник 60 в зависимости от температуры теплоносителя в баке 58. Таким образом изобретение позво ляет автоматически включать двигатель и устанавливать скорость вращения вала 9 отбора мощности в зависимости от температу- С ры теплоносителя в баке 24, а также подключать дополнительное охлаждение в .зависимости от температуры теплоносителя в баке 58, т.е, обеспечивать максимальную а производительность в условиях нестабильной температуры теплоносителей. 3 з.п, ф- д лы, 1 ил.4 диаметральной перегородкой на ры с холодным и горячим носитВ центре емкости шарнирно у вал отбора мощности, на котором закреплены две рамы; Подвиж каждой рамы посредством соо щих колес опираются на дно емк ющей в местах соединения ре покатую форму. На погруженной ситель части каждой рамы закреп концом рабочий элемент(РЭ), обл.термомеханической памятью формы (ТПФ), гателя, во-вторых, невозможностью самовторые концы обоих РЭ снабжены рычага- стоятельного пуска двигателя после остами, которые посредствоМ соответствующих новки, вызванной низкой температуройгибких тросов соединены с диском, шарнир- нагревателя, в-третьих, невозможностьюно установленным эксцентрично к емкости. 5 выбора из нескольких холодильников такоОба РЭ работают на кручение, которое по- го, температура которого в определенныйсредством соответствующих рычагов, гиб- момент времени окажется минимальной.ких тросов, а также вала и эксцентрично . Целью изобретения является повышерасположенного к нему диска преобразуют- ние производительности,ся во вращательное движение вала. Часть 10 На чертеже показана схема тепловогополученной механической работы отдается двигателя.потре и лебителю а часть используется для пе- Тепловой двигатель содержит по крайР Фремещения соответствующих РЭ через гра- ней мере два прямолинейных РЭ с ТПйицы, разделяющие резервуары с горячимсоответственно 1 и 2, устройство 3 о бораи холодным теплоносителем, 15 мощности, контур 4 нагрева, контур 5 охНедостатком данного двигателя являет- лаждения, переключатель 6 режима работыся ограниченная сфера применения. Зто РЭ 1, переключатель 7 режима работы РЭ 2,обусловлено тем, что оба РЭ имеют одина- устройство 3 отбора мощности содержит вековую скорость вращения, т.е. продолжи- дущий вал 8 и ведомый вал 9; соединенныетельность холостого хода определяется 20 между собой коробкой 10 передач, На валупродолжительностью рабочего хода, При 8 закреплено храповое колесо 11, к котороусловии стабильного загружения такого му прижаты соответствующими пружинамидвигателя должны быть стабильными также 12 собачки соответственно 13, 14, 15, Собачтемпературытеплоносителей в резервуарах ки 13 шарнирно установлены на опоре, сос холодным и горячим теплоносителями. В 25 бачка 14 на рычаге 16, собачка 15 на рычагепротивном случае может произойти разба. Рычаги 16, 17 шарнирно установлены налансировка двигателя. Так например, при валу 8 и соединены с опорами посредствомповышении температуры горячего теплоно- соответствующих пружин 18, 19, Рычаг 16сителя происходит сокращение времени на- . соединен тросом 20 с рычагом 21, шарнирногрева РЭ, что вызывает повышение 30 установленном на опоре и соединенным сскорости вращения вала и обоих РЭ. В тоже одним концом РЭ 1. Второй конец РЭ 1время продолжительность охлаждения РЭ закреплен на опоре. Рычаг 17 соединен троостается неизменной. Следовательно, для сом 22 с рычагом 23, шарнирно установлендеформациинеуспевшихохладитьсяРЭне- ным на опоре и соединенным с однимобходимо затратить дополнительную рабо концом РЗ 2. Второй конец РЭ 2 закрепленту, Таким образом, двигатель не наопоре, Контур 4 нагревавыполненввидеприспособлен к эффективной работе при теплотрассы, содержащий бак 24, установизменяющихся температурах теплоносите- ленный выше РЭ 1 и РЭ 2, клапан 25 пуска,лей, например, к совместной работе с сол- два распределительных клапана соответстнечным коллектором, которому 40 венно 26, 27, два напорных трехходовыхсвойственна суточная и сезонная нестацио- вентиля соответственно 28, 29, две эластич нарность-температуры теплоносителя. ные теплоизоляционные, например, резиИзвестна конструкция теплового двига- новые рубашки соответственно 32, 33, бактеля, выбранная в качестве прототипа, со, установленный ниже РЭ 1 и РЭ 2. питадержащая двигатель один или несколько 45 тельный насос 35 с приводом от вала 9,установленных в корпусе прямолинейных сливную трубу 36. Внутри рубашки 30 расРЭ с ТПФ, рычаг с балластами, средство положен РЭ 1, а внутри рубашки 31- РЭ 2.управления процессами нагреваи охлажде- Бак 24 и бак 34 частично заполнены горячимния, контур хладоснабжения газопроводы, теплоносителем. Внутри бака 24 располоНедостатком известной конструкции 50 жен теплонагреватель 37 и два терморегуляявляется ограниченная сфера применения, тора соответственно 38, 39, Терморегуляторчто обусловлено неприспособленностью вйполнен в виде прямолинейного,РЭ 40 сдвигателя к автоматической эффективной ТПФ, один конец которого закреплен наработе в комбинации с холодильником и на- стенке бака 24, а второй соединен с малымгревателем, энергетические характеристи локальным плечом рычага 41, шарнирно уски которых изменяются со временем. Это тановленного на опоре. Большое плечо рыобусловлено, во-первых, стабильным загру- чага 41 шарнирно соединено сожением РЭ, т.е, условиями, при которых по- снабженнЫм клапаном 42 баком 43, а такжевышение температур нагревателя вызовет посредством толкателя 44 и втулки 45 с золишь повышение мощности, но не КПД дви- лотником 46 клапана 25, На стенке бака 24закреплен упор 47, периодически контактирующий с клапаном 42. Втулка 45 соединена с опорой посредством пружины 48.Терморегулятор 39 выполнен в виде прямолинейного РЭ 49 с ТПФ, один конец которого закреплен на стенке бака 24, а второйсоединен с малым лекальнцм плечом рычага 50, шарнирно установленного на опоре,Большое плечо рычага 50 шарнирно соединено со снабженным клапаном 51 баком 52, 10а также посредством толкателя 53 и втулки54- с рычагом 55 переключателя коробки 10передач, На стенке бака 24 закреплен упор56, периодически контактирующий с клапаном 51, Втулка 54 соединена с опорой посредством пружины 57. При крайнейверхнем положении баки 43 и 52 расположены под соответствующими сливными отверстиями трубы 36. Контур 5 охлаждениявыполнен в виде теплотрассы, содержащий 20бак 58, расположенный выше РЭ 1 и РЭ 2.трехходовый вентиль 59 регулирования режима охлаждения, холодильник 60, два напорный трехходовых вентилясоответственно 28 и 29, две рубашки соответственно 32 и 33, бак 61, установленныйниже РЭ 1 и РЭ 2, питательный насос 62 сприводом от вала 9, сливную трубу 63. Бак58 и бак 61 частично заполнены холостымтеплоносителем. Внутри бака 58 расположен основной холодильник 64 и терморегулятор 65. Последний выполнен в видепрямолинейного РЭ бб с ТПФ, один конецкоторого закреплен на стенке бака 58, авторой соединен с малым лекальным плечом рычага 67, шарнирно установленного наопоре, Большое плечо рычага шарнирно соединено со снабженным клапаном 68, баком 69, э также посредством толкателя 70 ивтулки 71 - с золотником 72 клапана 59, на 35стенке бака 58 закреплен упор 73, периодически контактирующий с клапаном 68. Втулка 71 соединена с опорой посредствомпружины 74, При крайнем верхнем положении бак 69 расположен под сливнцм отверстием трубы 63.Память соответствующих РЭ 1. РЗ 2, РЗ40, РЭ 49, РЗ 66 выражается в уменьшениидлины при нагреве и удлинении при охлаждении. 45Переключатель б выполнен в виде рычага 75, на котором шарнирно установленавтулка 76, соединенная посредством пружины 77 с опорой,Шарнир рычага 75 соосен шарниру ры чага 21, На последнем закреплены два упора соответственно 78 и 79,периодическиконтактирующие с концом рычага 75, Вовтулке 76 установлен толкатель 80, соединенный с опорой посредством пружины 81,Один конец тдлкателя шарнирно соединен с золотником 82 клапана 27, второй - с золотником 83 вентиля 28, Третий конец толкателя 80 посредством пружины 84 соединен с золотником 85 вентиля 32 с закрепленной на опоре упругой пневматической камерой 86, которая соединена с атмосферой посредством жиклера 87,Переключатель 7 выполнен в виде рычага 88, на котором шарнирно установлена втулка 89, соединенная посредством и ружи- . ны 90 с опорой, Шарнир рычага 88 соосен шарниру рычага 23. На последнем закреплены два упора соответственно 91 и 92, периодически контактирующие с концом рычага 88. Во втулке установлен толкатель 93, соединенный с опорой посредством пружины 94. Один конец толкэтеля 93 шарнирно соединен с золотником 95 клапана 26, второй - с золотником 96 вентиля 29, Третий конец толкателя 93 посредством пружины 97 шарнирно соединен с золотником 98 вентиля 33 и с закрепленной на опоре упругой пневматической камерой 99, которая соединена с атмосферой посредством жиклера 100. Бак 34 и бак 61 соединены между собой трубой 101.Тепловой двигатель работает следующим образом, При минимальной температуре теплоносителя внутри бака 24 РЭ и РЭ 49 имеют максимальную длину, чему соответствует закрытое положение клапана 25 и минимальное передаточное число коробки 10. Двигатель не работает. При максимальной температуре теплоносителя внутри бака 58 РЭ бб имеет минимальную длину, чему соответствует ус гановка вентиля 59 на пере- пуск теплоносителя от бака 58 к соответствующим вентилям 28, 29 при отключенном холодильнике 60, При увеличении температуры теплоносителя внутри бака 24 в определенный момент двигатель включается, Это обусловлено тем, что по достижении определенной температуры РЭ 40 начинает укорачиваться вследствие реализации ТПФ, поднимая пустой бак 43 и посредством толкэтеля 44 перемещая втулку 45 из крайнего правого в фиксируемое пружиной 48 крайнее левое положение, Такому новому положению втулки 45 соответствует открытие клапана 25. При минимальной длине РЭ 40 бак 43 оказывается под сливным отверстием трубы,:б,Горячий теплоноситель поступает к клапанам 26, 27 один из которых, например, клапан 27, закрыт, а второй, например клапан 26, открыт. При таком положении клапанов 26 и 27 горячий теплоноситель самотеком перетекает из бака 24 через клапан 25, клапан 26, вентиль 28, шланг с РЭ 140 насосов 35 и 62. В это же время холодный 45 теплоноситель из бака 58 через вентиль 59, вентиль 28, шланг 30 с РЭ 1 и вентиль 32 самотеком перетекает в бак 61. РЗ 1 охлаждается и по достижении определенной температуры вследствие реализации ТПФ 50 начинает удлиняться под действием пружины 18. В конце этого холостого хода РЭ 1 упор 78 надавливает на рычаг 75, перемещая его и втулку 76 из крайнего правого вфиксируемое пружиной 81 крайнее левое положение, В конце этого перемещения втулки 76 она надавливает на толкатель 80, перемещая его из крайнего левого в фиксируемое пружиной 77 крайнее правое положение, При этом положении толкателя 80 и вентиль 32 в бак 34, РЭ 1 нагревается и по достижении определенной температуры вследствие реализации ТПФ начинает укорачиваться, происходит рабочий ход РЭ 1. Посредством рычага 16 троса 20, рычага 16, собачки 14 и храпового колеса 11 рабочее линейное перемещение РЭ 1 преобразуется во вращение вала 8. Пружина 18 вэводится. Коробка 10 повышает частоту вращения вала 8, Часть полученной механической работы отдается от вала потребителю, а другая часть посредством соответствующих насосов 35, 62 расходуется на перекачивание холодного теплоносителя иэ бака 61 в бак 58. В конце рабочего хода РЗ 1 упор 79 надавливает на рычаг 75, перемещая втулку 76 иэ крайнего правого в фиксируемое пружиной 77 крайнее левое положение. В конце этого перемещения втулки 76 она надавливает на толкатель 80, перемещая его из крайнего правого в фиксируемое пружиной 81 крайнее левое положение. При этом положении толкателя 80 вентиль 28 переключается на пропуск холодного теплоносителя из бака 58 и прекращение тока горячего теплоносителя из бака 24, клапан 27 открывается, пружина 84 сжимается. а затем по мере выдавливания воздуха из камеры 86 жиклер 87 распрямляется, переключая вентиль 32 на перепуск теплоносителя иэ шланга 30 с РЗ 1 в бак 34, Храповое колесо 11 стопорится собачкой 13. Горячий теплоноситель иэ бака 24 через клапан 27, вентиль 29, шланг 31 с РЭ 2 ивентиль 33 самотеком перетекает в бак 34. Происходит рабочий ход РЭ 2. аналогичный рабочему ходу РЗ 1, Посредством рычага 23 троса 22, рычага 17, собачки 15 и храпового кол "са 11 рабочее линейное перемещениеРЭ 2 преобразуется во вращение вала 8, Пружина 19 взводится, коробка 10 повышает частоту вращения вала 8, (Пружина 19 взводится), Часть полученной механической работы отбирается от вала 9 для привода 5 10 15 20 25 30 вентиль переключается на пропуск горячего теплоносителя из бака 24 и прекращение тока холодного теплоносителя из бака 58, клапан 27 закрывается, пружина 84 растягивавтся, а затем по мере всасывания воздуха через жиклер 87 в камеру 86 сжимается, переключая вентиль 32 на перепуск теплоноси 1 еля из шланга 30 с РЭ 1 в бак 34 и прекращение слива теплоносителя иэ шлан- га 30 с РЭ 1 в бак 61, РЭ 1 готов для совер-, шения рабочего хода, однако клапан 26 перекрыт до момента завершения рабочего хода РЭ 2 и ток горячего теплоносителя через шланг 30 с РЭ 1 отсутствует, В конце рабочего хода РЭ 2, упор 92 надавливает на рычаг 88, перемещая втулку 89 из крайнего левого в фиксируемое пружиной 90 крайнее правое положение, В конце. этого перемещения втулки 89 она надавливает на толка- тель 93, перемещая его из крайнего левого в фиксируемое пружиной 94 крайнее правое положение, При этом положении толкателя 93 вентиль 29 переключается на пропуск холодного теплоносителя из бака 58 и прекращение тока горячего теплоносителя из бака 24, клапан 26 открывается, пружина 97 сжимается, а затем по мере выдавливания воздухаиз камеры 99 через жиклер 100 распрямляется, переключая вентиль 33 на перепуск теплоносителя из шланга 31 с РЭ 2 в бак 61 и прекращение слива теплоносителя из шланга 31 с РЭ 2 с бак 34, Храповое колесо 11 стопорится собачкой 13.После завершения рабочего хода РЭ 2 толкатель 92 оказывается в крайнем правом положении, при котором вентиль 29 и с запаздыванием вентиль 33 цереключается на самотечный перепуск холодного теплоносителя из бака 58 в бак 61, клапан 26 открывается, Последнее обуславливается началом тока горячего теплоносителя через шланг 30 с РЭ 1 и в дальнейшем совершение РЭ 1 рабочего хода, В то же время начинается холостой ход РЭ 2 аналогичный холостому ходу РЭ 1. По мере охлаждения при определенной температуре РЭ 2 начинает удлиняться вследствие реализации ТПФ под действием пружины 19, На последней стадии удлинения РЭ 2 упор 91 надавливает ьа рычаг.Дополнительный холодильник 60 контура 5 охлаждения, работа которого управляется терморегулятором 65 посредством, трехходового вентиля 59 расширяет сферу применения двигателя за счет наделения его функциями адаптивной системы, т.е. способностью самостоятельного переключения на работу с холодильником, отличающимся минимальной для данного момента температурой в системе, Такое устройствопозволяет, например, повысить эффективность двигателя, один холодильник 64 которого в летнее время работает на холодной воде, поднимаемой из колодца, а второй холодильник 60 включается в зимнее время, когда температура охлаждающего его атмосферного воздуха становится ниже температуры колодезной воды,Снабженные соответствующими терморегуляторами пусковой клапан 25 контура 4 нагрева и коробка 10 передач также способствуют наделению двигателя функциями адаптивной системы, При этом терморегулируемый пусковой клапан 25 обеспечивает автоматическое отключение двигателя при недостаточно высокой температуре нагревателя 37 и автоматическое его включение при достаточно высокой температуре нагревателя 37. Терморегулируемая же коробка 10 передач обеспечивает автоматическую переналадку двигателя, отличающегося стабильностью загружения, на новые условия стабильного загружения, при которых за счет поывьчения температуры нагревателя 37 помимо увеличения мощности может быть повышено занчение КПД.Согласованные соответствующими распределительными клапанами 26 и 27 переключатель 6 РЭ 2 и переключатель 7 РЗ 1 обеспечивают поочередность включения РЭ 1 и РЭ 2, а также работоспособность двигателя даже при одном целом РЭ Снабжение сливных трехходовых вентилей 32, 33 соответствующими пружинами 84, 97 и пневматическими камерами 86, 99 с жиклерами 87, 100 способствует уменьшению непроизводительного перемешивания холодного и горячего. теплоносителей при переключении напорных вентилей 28 и 29 путем регулируемого соответствующими жиклерами 87, 100 запаздывания переключения сливных вентилей 32, ЗЗ,Все три терморегулятора 38, 39, 65 конструктивно неотьемлемо связаны с соответствующими контурами 4, 5 нагрева и охлаждения. Снабжение терморегулятора 38 (39, 65) соответствующей сливной трубой 36 (63) и баком 43 (52, 69) способствует уменьшению негативного воздействия температурного гисторезиса, свойственного материалам с ТПФ путем разгружения РЭ40 (49, 66) перед подьемом бака 43 (52, 69), опорожнение его через клапан 42 (51, 68) и загружение РЗ 40(49, 66) перед опусканием бака 43 (52, 69), заполнение его через слив ную трубу (36, 63), Лекальное строение малого плеча рычага 41 (50, 67) обеспечивает протекание деформации РЗ 40 (49, 66) в условиях, близких к изотермическим, Это достигается вследствие повышения нагруз 5 10 мощности и два контура с теплоносителем - .нагревательный и охладительный, причем звено отбора мощности связано с одним концом рабочего элемента, второй конец ко торого неподвижно закреплен, каждый контур частично заполнен теплоносителем и состоит из последовательно соединенных турбопроводами верхнего бака с теплообменником, размещенного выше корпуса, 20 питающего насоса и нижнего бака, рэзме 50 ложен в верхнем баке нагревателя и его исполнительный механизм связан с управ 55 25 30 35 40 ки на РЭ 40 (49, 66) по мере совершения им рабочего хода (укорачивание РЭ 40 (49, 66) и уменьшения нагрузки на РЭ 40 (49, 66) по мере совершения им холостого хода (удли. нение РЗ 40 (49, 66).Формула изобретения 1. Тепловой двигатель, содержащий корпус с рубашкой, в которой размещен по меньшей мере один рабочий элемент из материала с памятью формы, звено отбора щенного ниже корпуса, оба контура подключены к рубашке корпуса с помощью входного и выходного управляемых трехпозиционных вентилей, управляющие механизмы которых связаны со звеном отбора мощности, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения производительности, двигатель снабжен дополнительной рубаш-кой с размещенным в ней дополнительным рабочим элементом и управляемыми входным и выходным вентилями, а также двумя управляемыми клапанами, тремя датчикамитемпературы со связанным с ними исполнительными механизмами, дополнительным контуром охлаждения с управляемым трех- позиционным вентилем, коробкой передачи пусковым управляемым клапаном, причем дополнительная рубашка подключена параллельно первой с помощью управляемых входного и выходного вентилей и управляемых клапанов с обеспечением работы рабочих элементов в противофазе, один из датчиков температуры установлен в верхнем баке охладителя и его исполнительный механизм связан с управляющим механизмом вентиля дополнительного контура охлаждения, с обеспечением возможности подключения последнего в охладительный контур, второй датчик температуры рэсполяющим механизмом коробки передач, устанозленной на выходе звена отбора мощности, третий датчик температуры также установлен в верхнем баке нагревателя, его исполнительный механизм связан с управляющим механизмом пускового клапана с обеспечением возможности полного перекрытия нагревательного и охладительногоконтуров.174774312 щим механизмом, бачок размещен на большом плече рычага с обеспечением возможности перемещения между двумя крайнимиположениями одно из которых под сливной5 трубой, а второе с воэможностью взаимо. действия сливного клапана и упора,4, Двигатель по пп, 1 - 3, о т л и ч а ю щ ий с яем, что управляющий механизм выходных вентилей состоит иэ золотника, соответ-10 ствующего вентиля, пружины ипневматической камеры, снабженной жиклером, сообщающимся С атмосферой, причем золотник связан как с одним концоми ружины, так и с одним концом пневматиче 15 ской камеры, второй конец пружины связанс соответствующим исполнительным механизмом, а второй конец камеры неподвижно закреплен,20 Составитель М,Халов ор В.Фельдман Техред М.МоргенталРе ектор А.Осауленко Заказ 2485 Тираж ВНИИПИ Государственного комитета по иэобрет 113035, Москва, Ж, Раушсгарина, 10 издательский комбинат "Па Производст го 2. Двигатель по и. 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что температурный датчик выполнен в виде прямолинейного элемента из материала с памятью формы, причем один конец элемента закреплен неподвижно внутри соответствующего бака, а второй соединен с соответствующим исполнительным механизмом,З.Двигатель поп.1, отл ива ю щи йс я тем, что исполнительный механизм датчика температуры содержит сливную трубу, разноплечий рычаг, бачок со сливным клапаном, упор и толкатель, причем сливная труба размещена в крышке сответствующего бака, малое плечо рычага соединено с датчиком температуры, большое плечо рычага шарнирно соединено с толкателем, связанным с соответствующим управляюПодписноеиям и открытиям при ГКНТ СССР я наб 4/5