тепловой двигатель

Формула изобретения

ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий нагреватель, холодильник и рабочие элементы, выполненные из термочувствительного материала, установленные на основании с возможностью периодического перемещения от нагревателя к холодильнику и обратно и соединенные с силовым приводным механизмом, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности в работе, он снабжен тепловыми контактными пластинами, связанными с рабочим элементом посредством гибкой связи и установленными между холодильником и нагревателем.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к тепловым двигателям и может использоваться для преобразования тепловой энергии окружающей среды в электрическую энергию в труднодоступных местах, например в зонах ледовитого океана или в высокогорье.

Известен силовой привод для электрогенератора, который содержит двигатель внутреннего сгорания, выходной вал которого соединен с ротором электрогенератора. Таким образом устроены все системы электропитания, например у автомашины для зарядки аккумулятора.

Недостатки такой системы следующие: необходимость топлива для двигателя внутреннего сгорания; токсичные выбросы в атмосферу.

Известен тепловой двигатель, который содержит нагреватель, холодильник и рабочие элементы, выполненные из термочувствительного материала, установленные на основании с возможностью периодического перемещения от нагревателя к холодильнику и обратно и соединенные с силовым приводным механизмом [1] Нагреватель и холодильник выполнены в виде поворотных на осях секторов, а рабочие элементы изготовлены из биметаллической пластины.

Основным недостатком описанного теплового привода является его низкая эффективность, которая обусловлена линейным контактом между рабочим элементом и нагревателем или холодильником.

Целью изобретения является повышение эффективности, снижение периода воздействия на силовой приводной механизм.

Цель достигается тем, что тепловой двигатель снабжен тепловыми контактными пластинами, связанными с рабочим элементом посредством гибкой связи и установленными между холодильником и нагревателем.

На фиг. 1 представлена общая компановка теплового двигателя с электрогенератором 1; на фиг. 2, 3 представлены варианты выполнения теплового двигателя, когда в качестве термочувствительного элемента используется балка или ртуть; на фиг. 4 вид А на фиг. 2; на фиг. 5, 6 применение теплового двигателя во льдах на исследовательской станции и в горных условиях; на фиг. 7 график, поясняющий работу теплового двигателя, когда он используется в качестве привода электрогенератора.

Источник электропитания содержит тепловой двигатель 1 с выходным силовым элементом в виде штока 2, который образует силовой приводной механизм. Шток через рейку 3 соединен с зубчатым колесом 4 обгонной муфты 5, которая соединена с валом 6. Вал 6 защемлен одним концом, и на нем имеется тормозная обгонная муфта 7, которая выполнена в виде эквивалентного по назначению механизма с храповым механизмом для удобства описания работы и упрощения устройства для ее управления. На валу 6 размещен маховик 8 со своей обгонной муфтой 9. На маховике 8 имеется центробежный регулятор 10 угловой скорости. Маховик 8 имеет зубчатое зацепление с шестерней 11, которая передает вращательное движение на ротор электрогенератора 12. В электрическую цепь генератора 12 включены электрическая цепь а-б, которая включает в себя электромагнит 13 и два контакта 14, 15, причем контакт 14 подвижный и закреплен на валу 6. Сердечник электромагнита 13 соединен с собачкой 16 обгонной муфты 7. Тепловой двигатель может быть выполнен в виде двух вариантов.

На фиг. 2 представлен вариант, когда рабочий элемент из термочувствительного материала, который изменяет свои размеры при изменении температуры, выполнен в виде балки 17, которая через подшипники соединена с основанием 18. Основание 18 охватывает рабочий элемент балку 17, образуя единую деталь с жесткостью, которая по крайней мере на порядок больше жесткости балки 17. Балка 17 соединена через гибкие связи 19 с тепловыми контактными пластинами 20 и 21. Тепловая контактная пластина 21 соединена с балкой 17 подвижно через направляющую пару 22. Нагреватель показан в виде жидкости Н, а холодильник обозначен Х.

На фиг. 3 представлен вариант, когда в качестве рабочего элемента из термочувствительного материала используется ртуть 17-1. Рабочий элемент 17-1 имеет две тепловые контактные пластины 20-1 и 21-1, которые связаны с ним гибкими связями 19-1. Тепловые направляющие пластины 20-1 и 21-1 имеют направляющие, шток 2 соединен с сильфоном 23, который имеет меньший размер, чем основание 18-1. Сильфон 23 образует передаточный механизм для увеличения перемещения. Шток 2 соединен тягой 24 с холодильником и нагревателем (Х, Н).

В варианте, который изображен на фиг. 2, таким передаточным механизмом служит перемещение середины самой балки 17. Варианты использования, которые представлены на фиг. 5 и 6, пояснений не требуют и показаны для наиболее сложных случаев: на фиг. 5 для выполнения рабочего элемента 17-1 в виде ртути; на фиг. 6 для рабочего элемента в виде балки 17.

Варианты отличаются тем, что для балки 17 нагреватель Н и холодильник Х неподвижны, а для ртути в качестве рабочего элемента 17-1 нагреватель и холодильник подвижны.

Действует тепловой двигатель 1 с системой силового привода электрогенератора следующим образом. От теплового двигателя 1 совершает возвратно-поступательное движение шток 2 силовой приводной механизм, на котором находится рейка 3. Последняя через зубчатое колесо 4 вращает обгонную муфту 5, и вал 6 закручивается. Вал 6 выполняет функцию упругого элемента, который заводится. Удерживается вал 6 после каждого поворота обгонной муфтой 7, которая имеет храповик 16, соединенный с сердечником электромагнита. При повороте вала 6 контакты 14 и 15 замыкаются на заранее установленный угол закручивания, электромагнит (ЭМ) срабатывает, храповик 16 выводится из зацепления, вал 6 раскручивается, захватывает через обгонную муфту 19 маховик 8 и раскручивает его. Последний вращает через шестерню 11 вал ротора электрогенератора 12. Ограничение угловой скорости обеспечивается центробежным регулятором.

Тепловой двигатель действует следующим образом. Тепловая контактная пластина 20 (20-1) находится в тепловом контакте с нагревателем. Тепловой поток через пластины 20 (20-1), гибкие связи 19 (19-1) направляется на рабочий элемент 17 (17-1), он расширяется и во всех случаях перемещает силовой привод механизма шток 2, далее движение передается остальным элементам кинематической цепи.

После расширения рабочего элемента 17 или 17-1 тепловые контактные пластины 20 или 20-1 поднимаются, тепловой контакт после выборки люфта гибких связей 19 или 19-1 с нагревателем нарушается, а нагрев рабочего элемента продолжается из-за инерционности системы. Тепловая контактная пластина 21 или 21-1 входит в контакт с холодильником, рабочий элемент 17 или 17-1 уменьшает свой размер и тепловые контактные пластины 20 или 20-1 опять входят в контакт с нагревателем.

Таким образом, силовой привод механизма шток будет совершать возвратно-поступательное движение. Если система недостаточно отрегулирована или недостаточно тепловой инерционности контактных пластин 20 и 21 (20-1, 21-1), то рабочий элемент будет совершать движение около нагревателя или холодильника. В любом случае при начальной установке одна из пластин 20 (20-1) или 21 (21-1) должна быть в контакте соответственно с нагревателем или холодильником, т. е. должна быть предусмотрена взаимная регулировка путем взаимного перемещения, которое может быть осуществлено различным образом и точности не требует. Вся система, кроме контактных поверхностей пластин 20 и 21 (20-1, 21-1), должна находиться в теплоизоляции, например в стекловате, чтобы избежать влияния от взаимодействия с окружающей средой.

Таких тепловых двигателей 1 может быть несколько, и они имеют свои кинематические связи с валом 6. Число приводов в виде тепловых двигателей 1 зависит от необходимого момента на валу электрогенератора, времени цикла и равномерности вращения вала.

Обязательным для использования теплового двигателя является наличие естественного холодильника и нагревателя, поэтому в обоих случаях рассматривался водоем. Однако для космоса такими средами могут служить сам космос и внутренняя полость корабля или разные стороны корабля по отношению к солнцу.

Таким образом, благодаря контактным тепловым пластинам и гибким связям повышается эффективность теплового двигателя, так как контактный поверхностный теплообмен позволяет повысить его выходную мощность.