Тепловая машина стирлинга и способ ее работы

 

Использование: в машиностроении, а именно в тепловых машинах с внешним подводом тепла, в холодильных машинах и тепловых насосах. Сущность изобретения: повышение удельной мощности машины за счет частичного уравновешивания сил на компрессоре силами на расширителе и полным уравновешиванием циклических упругих сил циклическими инерционными силами за счет резонансного режима работы. 2 с. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к области тепловых двигателей с внешним подводом тепла, к тепловым насосам и холодильным машинам.

Наиболее близким техническим решением, которое выбрано за прототип, является изотермический объемный вытеснительный механизм по патенту США N 4490974, который имеет камеру сжатия и расширения переменного объема, ограниченную частично внешней круглой гибкой металлической сильфонной стенкой. Каждая из камер имеет привод в виде кривошипно-шатунного механизма со смещенной фазой работы. При этом полезная работа, представляет собой малую разность большой работы расширителя и большой работы компрессора. Механическая мощность снимается или подводится через общий вал. Таким образом, кривошипно-шатунный механизм воспринимает на порядок большую нагрузку, чем снимается полезной мощности.

Кроме того, и сам кривошипно-шатунный механизм является сложным устpойством, имеющим малый срок службы.

В предлагаемом изобретении этот недостаток устраняется тем, что во-первых, положительные силы расширителя уравновешиваются отрицательными силами, возникающими на компрессоре, и только их разность воспринимается приводом.

Во-вторых, привод осуществляется бесконтактно через магнитный зазор на резонансной частоте, при которой упругие силы в каждый момент времени уравновешиваются силами инерции, а магнитная система воспринимает только активную мощность.

Задачей изобретения является упрощение конструкции, повышение срока службы и увеличение удельной мощности.

Задача реализуется за счет того, что сила, требуемая для работы компрессора, частично уравновешивается силой, создаваемой расширителем, а съем и подвод механической мощности осуществляется на резонансной частоте, при которой упругие силы уравновешиваются инерционными силами, а магнитная система осуществляет только съем полезной мощности.

Изобретение поясняется фиг. 1 и 2.

Тепловая машина состоит по меньшей мере из четырех сильфонов-компрессоров 1 и такого же количества сильфонов-расширителей 2, установленных в гнездах теплоизолирующей панели 3. Сильфоны-расши- рители связаны тягами 4 с сильфонами-компрессорами. Рабочий объем сильфона-компрессора 1 одной пары газовым каналом 5 связан с рабочим объемом сильфона-расширителя другой пары 2. Насадка 6, расположенная в газовом канале, служит регенератором. На сильфонах 1 установлены постоянные магниты 7 с чередующейся полярностью. Привод машины образован ротором 8, на котором установлены с чередующейся молярностью постоянные магниты 9 с полюсным расстоянием, в два раза превышающим полюсное расстояние на сильфонах. Форсунки 10 служат для подачи жидкого или газообразного топлива.

Для реализации предлагаемого способа работы машины внутреннее давление рабочего тела, число оборотов ротора и число полюсов на нем подбирают таким, чтобы собственные колебания сильфонов совпадали с частотой взаимодействия магнитов ротора с магнитами сильфонов.

Работает машина следующим образом.

Ротор 8 предварительно раскручивается внешним приводом (стартером) до номинальной частоты, при которой наступают резонансные колебания сильфонов. Одновременно с этим зажигается топливо, поступающее из форсунок 10. С этого момента колебание сильфонов и вращение ротора поддерживается за счет подводимой тепловой энергии, так как в рабочих объемах сильфонов реализуется термодинамический цикл Стирлинга. Сильфон, отмеченный фазой 0^о, под действием взаимноотталкивающихся магнитов совершает сжатие рабочего тела. Соседний сильфон под действием внутреннего давления будет двигаться в ту же сторону, но так как этому моменту предшествовало его крайнее верхнее положение, вызванное притяжением разнополюсных магнитов, а собственная частота колебаний системы совпадает с частотой следования магнитов ротора, то движение будет отличаться по фазе 90^о, а связанный с ним сильфон 2 будет иметь фазу 270 (-90^о), куда и перетечет сжатое рабочее тело, пройдя регенератор 6.

Последующее движение сильфона-расширителя, осуществляемое с подводом тепла, будет сопровождаться полезной работой, которая будет превосходить работу связанного с ним компрессора, так как компрессия осуществляется в охлаждаемых наружным воздухом сильфонах. Избыток энергии воспринимается ротором через взаимодействие разнополюсных и однополюсных магнитов.

Формула изобретения

1. Тепловая машина Стирлинга, содержащая сильфоны-компрессоры и сильфоны-расширители, попарно связанные газовым каналом, совмещенным с регенератором, средство подвода механической энергии, выполненное в виде ротора с постоянными магнитами чередующейся полярности и такими же магнитами, установленными на сильфонах, отличающаяся тем, что машина состоит по меньшей мере из четырех пар сильфонов, расположенных и соединенных между собой так, что привод к сильфону-расширителю одной пары совмещен с приводом к сильфону-компрессору другой пары, фаза работы которой отличается на 180^o 2. Способ работы тепловой машины Стирлинга, заключающийся в попеременном сжатии и расширении рабочего тела в холодной и горячей зонах двигателя, отличающийся тем, что съем и подвод механической мощности осуществляют при помощи размещенных на сильфонах и роторе постоянных магнитов на резонансной частоте путем согласования собственных частот сильфонов и частот взаимодействия магнитов ротора с магнитами сильфонов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2