ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
HEAT ENGINE

Тепловой двигатель относится к двигателям объемного вытеснения, в частности к двигателям с цилиндрами, расположенными оппозитно коленчатому валу, и может быть использован для преобразования теплоты нагретой жидкости во вращательное движение.
Известен двигатель, приводимый во вращение давлением воздуха (газового рабочего тела), нагреваемого водой, содержащий две пары цилиндров, штоки каждой пары которых оппозитно взаимодействуют с коленчатым валом, теплообменник первой пары соединен трубопроводом с полостью первого рабочего цилиндра, имеющего клапаны на входе и выходе, полость нагнетательного цилиндра первой пары имеет входное отверстие с клапаном и выходное отверстие с клапаном, соединенное трубопроводом с входом теплообменника второй пары цилиндров, выход которого соединен трубопроводом со входом рабочего цилиндра второй пары, также имеющего на входе и выходе клапаны, связанный с ним через коленчатый вал нагнетательный цилиндр второй пары, имеющий закрытое клапаном входное отверстие и выходное отверстие с клапаном, соединенное трубопроводом со входом теплообменника первой пары, имеющим обратный клапан (см., например, Канчурин Ф. Водяные двигатели. - 2. Журнал "Инженер" №1, январь 2005 г., с. 8-9). Однако такой двигатель недостаточно надежен из-за нестабильности подачи воздуха и не может быть применен в безвоздушном пространстве (без постоянного притока воздуха).
Задачей заявляемого устройства является повышение надежности работы двигателя с одновременным приданием ему новых функциональных возможностей. С целью решения указанной задачи предлагается в известном двигателе, содержащем две пары цилиндров, штоки каждой пары которых оппозитно взаимодействуют с коленчатым валом, теплообменник первой пары соединен трубопроводом с полостью первого рабочего цилиндра, имеющего клапаны на входе и выходе, полость нагнетательного цилиндра первой пары имеет входное отверстие с клапаном и выходное отверстие с клапаном, соединенное трубопроводом с входом теплообменника второй пары цилиндров, выход которого соединен трубопроводом со входом рабочего цилиндра второй пары, также имеющего на входе и выходе клапаны, связанный с ним через коленчатый вал нагнетательный цилиндр второй пары, имеющий закрытое клапаном входное отверстие и выходное отверстие с клапаном, соединенное трубопроводом со входом теплообменника первой пары, имеющим обратный клапан, что при этом выпускное отверстие каждого рабочего цилиндра соединено со входом охладителя рабочего тела, выход охладителя соединен с впускным отверстием каждого нагнетательного цилиндра, а рабочее тело на вход теплообменника первого рабочего цилиндра поступает из емкости питателя.
На фиг. 1 показана схема заявляемого двигателя в фазе выполненного рабочего хода в первом рабочем цилиндре, на фиг. 2 - то же в фазе выполненного рабочего хода во втором рабочем цилиндре.
Тепловой двигатель содержит питатель 1, соединенный трубопроводом с теплообменником Т1 поз. 2, имеющим нагревательный элемент 3. Верхняя часть теплообменника Т1 поз. 2 соединена трубопроводом через впускной клапан 4 с полостью первого рабочего цилиндра 5, поршень 6 которого через шток 7 взаимодействует с коленчатым валом 8. Оппозитно первому рабочему цилиндру 5 к коленчатому валу 8 присоединен через шток 10 поршень 12 первого нагнетательного цилиндра 9. Теплообменник Т2 поз. 21 имеет нагревательный элемент 20. Верхняя часть теплообменника Т2 поз. 21 соединена трубопроводом через впускной клапан 18 с полостью второго рабочего цилиндра 19, поршень 16 которого через шток 15 взаимодействует с коленчатым валом 8. Оппозитно второму рабочему цилиндру 19 к коленчатому валу 8 присоединен через шток 26 поршень 27 второго нагнетательного цилиндра 29. Рабочая полость первого рабочего цилиндра 5 соединена через впускной клапан 4 трубопроводом с рабочей полостью (полостью избыточного давления) теплообменника Т1 поз. 2 и через выпускной клапан 22 трубопроводом через охладитель 14 и клапан 11 с рабочей полостью первого нагнетательного цилиндра 9. Рабочая полость второго рабочего цилиндра 19 соединена через впускной клапан 18 трубопроводом с рабочей полостью (полостью избыточного давления) теплообменника Т2 поз. 21 и через выпускной клапан 17 трубопроводом через охладитель 14 и клапан 28 с рабочей полостью второго нагнетательного цилиндра 29. Новизна изобретения в отношении всей совокупности признаков изобретения, изложенных выше (и содержащихся в независимом пункте формулы), подтверждается результатами поиска (в уровне техники не раскрыто средство, которому присущи все признаки изобретения, выраженного формулой, предложенной заявителем) и наличием существенных отличий от прототипа.
Из уровня техники известен признак "баллон с газом" для поддержания минимального давления в газовой магистрали (заявка RU 2002109557, F02G 1/044, опубликована 20.11.2003), признак "система питания рабочим телом включает баллон (емкость)," (заявка RU 2003133372, F02G 1/043, опубликована 20.04.2005), признак "устройство регулирования давления рабочей среды содержит газовый баллон" (заявка RU 2001119146, F02G 1/04, опубликована 20.04.2003) и решение "два баллона для сжатого воздуха для подачи сжатого воздуха из одного баллона в поршневую пару и сброса в другой баллон после перемещения поршня; силовое устройство для возврата сжатого воздуха из второго баллона в первый" (заявка RU 2008131146, F02G 1/00, опубликована 10.02.2010). Из уровня техники известно устройство, включающее тепловоспринимающий контур с газовым рабочим телом, не поддерживающим процессы окисления, состоит из последовательно соединенных ресивера, подключенного через редуктор к баллону со сжатым газом, обратного клапана, надпоршневой камеры цилиндра машины сжатия-расширения, сообщенной через выпускной клапан трубопроводом с конденсатором-маслоотделителем, подключенным патрубком к обратному клапану на выходе ресивера (заявка. RU 95116736, F02G 1/04, опубликовано 20.08.1997). Во всех перечисленных случаях признак "баллон" является эквивалентным заявляемому признаку "емкость питателя" и назначение признака отличается от заявляемого технического результата. Таким образом заявляемое изобретение имеет изобретательский уровень, так как оно не следует явным для специалиста образом из уровня техники (оно не относится к созданным путем объединения, изменения или совместного использования сведений, содержащихся в уровне техники, и/или общих знаний специалиста). Это следует из того, что в описании приведено определение наиболее близкого аналога в соответствии с пунктом 10.7.4.2 Регламента, в описании (и формуле) указаны отличительные признаки, относящиеся к существенным (влияющим на результат), проанализированы выявленные из уровня техники решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками рассматриваемого изобретения и подтверждена неизвестность влияния этих отличительных признаков на указанный заявителем технический результат.
Тепловой двигатель работает следующим образом. При подаче холодного воздуха из питателя 1 в теплообменник Т1 поз. 2 происходит запуск двигателя вследствие нагрева и расширения рабочего тела, что приводит к повышению давления в полости первого рабочего цилиндра 5 при открытом клапане 4 и закрытом клапане 22 и движению его поршня 6 и штока 7, при этом коленчатый вал 8 проворачивается и приводит в движение шток 10 первого нагнетательного цилиндра 9, в полости которого давление рабочего тела возрастает, и при открытии клапана 13 воздух поступает во второй теплообменник Т2 поз. 21. В теплообменнике Т2 поз. 21 происходит нагрев и расширение рабочего тела, что приводит к повышению давления в полости второго рабочего цилиндра 19 при открытом клапане 18 и закрытом клапане 17 и движению его поршня 16 и штока 15, при этом коленчатый вал 8 проворачивается и приводит в движение шток 26 и поршень 27 второго нагнетательного цилиндра 29, в полости которого давление рабочего тела возрастает и при открытии клапана 30 воздух поступает в первый теплообменник Т1 поз. 2, в котором происходит нагрев и расширение рабочего тела, что приводит к повышению давления в полости первого рабочего цилиндра 5 при открытом клапане 4 и закрытом клапане 22. Далее процесс повторяется.
Рассмотрим работу двигателя через движение рабочего тела по тактам в парах "первый рабочий цилиндр (далее РЦ1) - первый нагнетательный цилиндр (далее НЦ1)" и "второй рабочий цилиндр (далее РЦ2) - второй нагнетательный цилиндр (далее НЦ2)". Первый такт - рабочий ход в паре "РЦ1 - НЦ1" при движении поршня 6 из верхней мертвой точки (далее ВМТ) в нижнюю мертвую точку (далее НМТ) и обратный ход в паре "РЦ2 - НЦ2" при движении поршня 16 из НМТ в ВМТ. Второй такт - рабочий ход в паре "РЦ2 - НЦ2" при движении поршня 16 из ВМТ в НМТ и обратный ход в паре "РЦ1 - НЦ1" при движении поршня 6 из НМТ в ВМТ.
Движение рабочего тела при запуске.
Первый такт - рабочий ход в 1-й паре и обратный ход во 2-й паре по схеме:
1) Питатель поз. 1 → Т1 поз. 2 → РЦ1 поз. 5 (клапан 4 открыт, клапан 22 закрыт);
2) НЦ1 поз. 9 → Т2 поз. 21 (клапан 13 открыт);
3) РЦ2 поз. 19 → охладитель поз. 14 → НЦ2 поз. 29 (клапан 18 закрыт, клапан 17 открыт). Второй такт - рабочий ход во 2-й паре и обратный ход в 1-й паре по схеме:
1) Т2 поз. 21 → РЦ2 поз. 19 (клапан 17 закрыт, клапан 18 открыт);
2) НЦ2 поз. 29 → Т1 поз. 2 (клапан 30 открыт);
3) РЦ1 поз. 5 (клапан 4 закрыт, клапан 22 открыт) → охладитель поз. 14 → НЦ1 поз. 9.
Движение рабочего тела при установившейся работе.
Первый такт - рабочий ход в 1-й паре и обратный ход во 2-й паре по схеме:
1) Т1 поз. 2 → РЦ1 поз. 5 (клапан 4 открыт, клапан 22 закрыт);
2) НЦ1 поз. 9 → Т2 поз. 21 (клапан 13 открыт, клапан 18 закрыт);
3) РЦ2 поз. 19 → охладитель поз. 14 → НЦ2 поз. 29 (клапан 18 закрыт, клапан 17 открыт). Второй такт - рабочий ход во 2-й паре и обратный ход в 1-й паре по схеме:
1) Т2 поз. 21 → РЦ2 поз. 19 (клапан 18 открыт, клапан 17 закрыт);
2) НЦ2 поз. 29 → Т1 поз. 2 (клапан 30 открыт, клапан 4 закрыт);
3) РЦ1 поз. 5 (клапан 4 закрыт, клапан 22 открыт) → охладитель поз. 14 → НЦ1 поз. 9.
Далее следует опять первый такт по схеме: 1) Т1 поз. 2 → РЦ1 поз. 5 (клапан 4 открыт, клапан 22 закрыт) и так далее.
Таким образом обеспечивается стабильная циркуляция рабочего тела в замкнутой системе, что повышает надежность работы двигателя. Кроме того, введение в конструкцию отличительных признаков "выпускное отверстие каждого рабочего цилиндра соединено со входом охладителя воздуха, выход охладителя воздуха соединен с впускным отверстием каждого нагнетательного цилиндра, а воздух на вход теплообменника первого рабочего цилиндра поступает из емкости питателя" позволяет использовать заявляемый двигатель в условиях ограниченного потребления или исключения притока воздуха (реализация указанного заявителем назначения) и неожиданно способствует повышению экологичности и безопасности за счет отсутствия выхлопа, что в свою очередь позволяет использовать в качестве рабочего тела вместо воздуха любой газ безопасно для человека, а в качестве теплоносителя - любую жидкость. Кроме того, возможно применение принципиально других конструкций теплообменников, использующих различные источники тепла, и любую энергию, преобразуемую в тепловую.
Заявляемое изобретение удовлетворяет критерию промышленной применимости, так как в описании указано назначение изобретения, в документах и чертежах, содержащихся в заявке, приведены средства и методы, с помощью которых возможно осуществление изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения. Кроме того, упомянутые средства и методы описаны в источнике, характеризующем прототип изобретения.