FI75402C - Vaermekraftmaskin foer oeverfoering av vaermeenergi till mekanisk energi. - Google Patents

Description

1 75402 Lämpövoimakone lämpöenergian muuttamiseksi mekaaniseksi energiaksi Tämä keksintö koskee lämpövoimakonetta lämpöenergian muuttamiseksi mekaaniseksi energiaksi, jossa lämpövoimako-5 neessa on vähintään yksi pitkänomainen metallilejeerinkie-lin, joka tietyssä lämpötilassa muuttaa pituuttaan tiettyyn sille aikaisemmin annettuun pituuteen ja sitä alemmissa lämpötiloissa on verraten helposti venytettävä.

Tunnetaan useita metalliseoksia, joissa esiintyy ns.

10 muisti-ilmiö. Patenttivaatimukset tarkoittavat kaikkia näitä ns. "muistilejeerinkejä". Eräs tällainen "muistilejeerinki" on titaanin ja nikkelin seos ja tunnetaan nimellä Nitinol. Kun tällaista ainetta oleva kappale on saatettu tietyn muotoiseksi sopivalla lämpökäsittelyllä, se pyrkii palautumaan 15 tähän muotoonsa aina kun sitä kuumennetaan transitiolämpö-tilaansa. Transitiolämpötilansa alapuolella aine sen sijaan on helposti deformoituvaa. Ainetta voidaan tällöin deformoi-da olennaisesti pienemmällä voimalla kuin mitä se synnyttää korkeammassa lämpötilassa palautuessaan lämpökäsiteltyyn 20 muotoonsa. Transitiolämpötilaa voidaan säätää muuttamalla lejeeringin koostumusta ja se voi olla välillä noin -90°C... 150 °C, tavallisimmin noin 40...90 °C.

On kehitetty lämpövoimakoneita, jotka perustuvat Nitinol-langan helppoon venyvyyteen transitiolämpötilan alapuolella 25 ja kutistumisen aiheuttamaan voimaan tässä lämpötilassa.

Tällainen palautuva venymä Nitinolilla on noin 6 %. Venytykseen tarvittava voima on huomattavasti pienempi kuin kutistumisen aiheuttama voima. Sovellutuksia, joissa kutistumis-voimaa käytetään kampiakselin pyörittämiseen, joka puoles-30 taan taas venyttää Nitinol-elementtejä, on kuvattu US-paten-teissa 3 937 019 ja 4 086 769.

Vaikeutena näissä tunnetuissa laitteissa on saada Niti-nol-elementtien lämpötila muuttumaan riittävän nopeasti. Niissä elementtien lämpötilaa muutetaan lämmitys- ja jäähdy-35 tysnesteen avulla ja niiden johtaminen vuorotellen Nitinol-elementtien yhteyteen vaatii venttiilien avulla toimivan järjestelmän, jossa nesteiden vaihto vie verraten paljon aikaa .

2 75402

Keksinnön mukaiselle lämpövoimakoneelle on tunnusomaista se, että laitteessa on kiinteää ainetta oleva jäähdytyspin-ta, jota vasten metallilejeerinkielin on vuorotellen saatettavissa kosketukseen ja irti kosketuksesta.

5 Keksinnön mukaisella ratkaisulla saadaan metallilejeerin- kielimien jäähdytys toimimaan riittävän nopeasti.

Keksintöä ja sen erityispiirteitä selostetaan lähemmin seuraavassa viitaten oheisiin piirustuksiin, joissa kuvio 1 esittää aksonometrisesti keksinnön mukaista 10 muistilejeerinkilämpövoimakonetta, kuvio la esittää kuvion 1 laitteessa käytetyn Nitinol-langan poikkileikkausta, kuvio 2 esittää kuvion 1 laitteen poikkileikkausta, kuvio 2a esittää yksityiskohtaa kuvasta 2, 15 kuvio 3 esittää kaaviollisesti kuvion 1 laitteen kytke mistä lämpöpumppuun, kuvio 4 esittää kytkinkaaviota kuvion 1 laitteen kytKe-miseksi lämpöpumppuun, kuvio 5 esittää yksityiskohtaa kuvion 1 laitteen lisäpa-20 rannuksesta ja kuvio 6 esittää kuvion 3 mukaisen laitteen lämmönvaih-dinpintoja, katsottuna Nitinol-liuskan suunnassa.

Keksinnön mukaisissa laitteissa päästään kevyisiin rakenteisiin ja materiaaleina ovat mahdollisia esim. nylon, lasi-25 kuitu jne. Laitteen toimintalämpötila voi olla esim. 40 °C. Koneita voidaan valmistaa soveltumaan parhaiten tiettyihin erikseen määriteltäviin lämpötilaolosuhteisiin.

Kuvioiden 1 ja 2 sovellutuksessa on poikkileikkaukseltaan litteitä Nitinol-lankoja 21 kiinnitetty niveltyvästi kanden 30 toistensa suhteen symmetrisessä asennossa olevan rinnakkaisen kampiakselin 24 välille. Nitinol-langat ovat transitio-lämpötilansa alapuolisissa lämpötiloissa helposti venytettäviä, mutta lämpötilan noustessa määrättyyn arvoon ne kutistuvat takaisin alkuperäiseen pituuteensa.

35 Laitteessa on kampiakselien välillä päällekkäin kaksi kammiota 22 ja 27. Kammioissa 22 ja 27 on toisiaan kohti olevat metalliset lämmönvaihdinpinnat 23 ja 26, joiden väli- 3 75402 nen etäisyys on yhtä suuri tai pienempi kuin kampiakselien 24 liikeradan halkaisija. Kuviossa 2a on esitetty yksityiskohtaisemmin alemman lämmönvaihdinpinnan rakenne, leikattuna pituussuuntaisessa pystytasossa. Siinä on rinnakkaisia kana-5 via 32 lämpöpumpun putkistoa varten. Kanavien 32 välissä on yläpinnassa uria 33 Nitinol-lankoja 21 varten. Ylemmän lämmönvaihdinpinnan 26 rakenne on vastaavanlainen paitsi että lankaurat 33 ovat alapinnassa. Sopivimmin lämmönvaihdinpin-nat 23 ja 26 ovat toisiaan kohti kuperia siten, että keskio-10 sassa niiden välinen etäisyys on pienempi kuin kampiakselien halkaisija.

Lämmönvaihdinpintojen 23 ja 26 välillä on eristekerros 28, jossa on urien 33 suuntaisia pystyuria. Sopivimmin eristekerros 28 ulottuu kammion 27 joka puolelle. Laite on kote-15 loitu teräskoteloon 30, josta väliaine on poistettu mahdollisimman tarkoin lähelle tyhjiötä.

Lämpöpumppu 6 on yhdistetty lämmönvaihdinpintojen 23 ja 26 putkistojen 32 välille siten, että se siirtää lämpöä ylemmästä lämmönvaihdinpinnasta 26 joko ympäristöön tai 20 alempaan lämmönvaihdinpintaan 23. Alemmassa kammiossa 22 olevaa väliainetta voidaan lisäksi lämmittää ulkoisen läm-mönlähteen 34 avulla tai siihen voidaan johtaa esim. ydinvoimalaitoksen hukkalämpöä (n. +50 °C vesi). Ulkoinen läm-mönlähde ei kuitenkaan ole välttämätön, mikäli lämpöpumppu 6 25 siirtää lämpöä ulkopuolisesta väliaineesta, esim. ympäröivästä +4 °C vedestä alempaan lämmönvaihdinpintaan 23.

Kun alempaa lämmönvaihdinpintaa 23 lämmitetään, sen kanssa kosketuksessa olevat Nitinol-langat lämpenevät transitio-lämpötilaansa. Saavuttaessaan transitiolämpötilansa Nitinol-30 langat kutistuvat ja saavat kampiakselien 24 alimmassa asennossa olevat kammet, joihin langat 21 on kiinnitetty, vetäytymään toisiaan kohti, jolloin langat 21 nousevat irti pinnasta 23 alkaen jäähtyä. Samanaikaisesti kampiakselien 24 yläasennossa oleviin kampiin kiinnitetyt, ylemmän jäähdytys-35 pinnan 26 kanssa kosketuksessa olleet Nitinol-langat joutuvat venymään kampiakselien pyöriessä vastakkaisiin suuntiin. Liike jatkuu edelleen siten, että alkuasennossa lämmityspin- 4 75402 taa 23 vastassa olleet langat joutuvat kosketukseen jäähdy-tyspinnan 26 kanssa jäähtyen siinä vaiheessa tehokkaasti. Sen jälkeen sama liike toistuu lankojen vaihdettua asemiaan. Kun laite on käynnistetty, kampiakselit pyörivät jatkuvasti 5 symmetrisesti vastakkaisiin suuntiin ja Nitinol-langat joutuvat vuoroin kutistumaan joutuessaan pintaa 23 vasten ja vuoroin venymään kampiakseleiden 24 venyttäminä.

Akseleiden 24 ulostulotehot Wi ja W2 voidaan yhdistää yhteisen kuormitusakselin avulla (ei esitetty kuvissa). Osa 10 W3 tästä tehosta voidaan käyttää lämpöpumpun 6 käyttämiseen, jolloin muuhun haluttuun tarkoitukseen saadaan nettoteho W4.

Kampiakselien 24 asentoa voidaan tarvittaessa säätää siirtämällä akseleita kuvioon 1 merkityissä x- ja y-suun-nissa. Laite toimii luonnollisesti myös siten, että alempi 15 pinta on jäähdytyspinta ja ylempi pinta lämmittävä pinta.

Tällöin kampiakselit pyörivät päinvastaiseen suuntaan. Luonnollisesti on mahdollista sijoittaa koko laite myös siten, että langat 21 eivät ole vaakasuorassa suunnassa.

Keksinnön mukaan on edullista käyttää mahdollisimman 20 pientä lämpötilaeroa pintojen 23 ja 26 välillä. Tällöin hukkalämpö on minimissä ja vastaavasti pinnan 23 lämmitykseen ja pinnan 26 jäähdytykseen käytetyn Carnot-pumpun hyötysuhde on maksimissa.

On myös mahdollista käyttää useita lämpövoimakoneita sar-25 jaan kytkettynä siten, että kukin kone toimii edellisen koneen suhteen hieman alemmassa transitiolämpötilassa. Tällöin voidaan käyttää hyväksi rinnakkaisten lämpötila-alueiden hyvin pieniä lämpötilaeroja. Olosuhteista riippuen voidaan käyttää tällaisesta sarjasta hyväksi vain jotain pienempää-30 kin osaa.

Kuvioissa 1-3 esitetyn lämpövoimakoneen teho P voidaan laskea teoreettisesti. Kun käytetään seuraavia arvoja 10 (Nitinol-langan lepopituus) 5000 mm r (Nitinol-langan säde) 1 mm 35 R (kampiakselin säde) 25 mm n (kampiakselin kierrosluku) 300 1/min z (Nitinol-lankojen lukumäärä) 100 ΔΚ (koneen sisäinen lämpötilaero) 1-3 °Κ 5 75402 saadaan tehoksi P 150 kW (ilman lämpöpumppua). Max vääntö-momentti/lanka on tällöin 150 Nm.

Kuviossa 4 on esitetty kaaviollisesti, miten lämpöpumpun 6 höyrystimessä jäähdytetty neste kierrätetään ensin jäähdy-5 tyspinnalla varustetun lämmönvaihtimen 27 kautta, jolloin jäähdytyspinnan lämpötila alenee tehokkaasti. Vasta sen jälkeen neste johdetaan lämmön lähteenä käytettävän väliaineen 9 kautta, jossa sen lämpötila nousee samaksi kuin väliaineen 9 lämpötila. Sen jälkeen neste kiertää takaisin lämpöpumpun 10 höyrystimeen, jossa se luovuttaa lämpöä.

Lammityspinnalla varustetun lämmönvaihtimen 22 kautta kulkeva neste kierrätetään lämpöpumpun 6 lauhduttimen Kautta, jossa se lämpenee pitäen näin lämmityspinnan lämpötilan riittävän korkeana.

15 Kuvioissa 5 ja 6 on esitetty lisäparannus kuvioiden 6-8 laitteeseen. Laitteessa käytetään litteitä, nauhamaisia Nitinol-liuskoja 21, joiden leveys on esimerkiksi noin 10 mm ja paksuus esimerkiksi noin 0,25 mm. Liuskan pituus voi olla esimerkiksi 100 cm. Liuskojen päihin on kiinnitetty 20 niveltangot. Liuskat on sovitettu siten, että niiden poikkileikkauksen pitempi sivu on pystysuorassa. Kuviossa 5 on esitetty Nitinol-nauhan toinen pää ja siihen liittyvä nivel-tanko sekä kampiakseli 24. Niveltanko muodostuu kahdesta toisiinsa nivelen 34 avulla liitetystä osasta 35 ja 36. Tan-25 gon 35 toinen pää on kiinnitetty niveltyvästi kampiakseliin 24 ja tangon 36 toinen pää on kiinnitetty kiinteästi Niti-nol-nauhaan 21. Tangon 36 ylä- ja alapuolella on vasteet 37, joiden välinen etäisyys on pienempi kuin kampiakselin 24 liikeradan halkaisija.

30 Kuviossa 6 on esitetty kuvion 5 sovellutuksessa käytetyt lämmönvaihtimet 22 ja 27. Kumpikin lämmönvaihdin muodostuu kahdesta osasta, jotka on kiinnitetty lämmönvaihtimen runkoon saranoin 38. Kummankin osan vastakkaisten lämmönvaih-dinpintojen väliin jää lämmönvaihtimen suljetussa asennossa 35 rako, jonka leveys vastaa Nitinol-liuskan 21 paksuutta. Lämmönvaihtimet 22 ja 27 ulottuvat Nitinol-liuskan koko pituudelle. Lämmönvaihtimen leukojen sisällä kulkee lämpöpumpun 6 75402 putkistot. Lämmönvaihtimien leukoja pidetään normaalisti avatussa asennossa esim. jousien avulla (ei esitetty kuvassa ) .

Kun Nitinol-liuska 21 tulee kampiakselin 24 mukana yl-5 häältä alaspäin, sen päissä olevat tangot 36 koskettavat alempia vaste-elimiä 37. Tämä saa aikaan sen, että vaste-elimeen yhdistetty rele (ei esitetty kuvassa) saa lämmönvaihtimen 22 leuat vetäytymään jousivoimaa vastaan toisiaan kohti, tiiviiseen kosketukseen Nitinol-liuskaa 21 vasten 10 liuskan kahden puolen. Tällöin liuska lämpenee nopeasti transitiolämpötilaansa ja lyhenee voimakkaasti. Kampiakselien 24 kammet kiertyvät vastakkaisiin suuntiin alimman kohtansa ohi, kunnes tanko 36 alkaa nousta irti vaste-elimestä 37. Nivel 34 mahdollistaa sen, että tänä aikana Nitinol-15 liuskan asento ei ole muuttunut korkeussuunnassa. Samalla kun tanko 36 irtoaa vaste-elimestä 37, rele päästää lämmönvaihtimen leuat irti toisistaan ja liuska 21 pääsee nousemaan ylöspäin.

Noustessaan edelleen ylöspäin tanko 36 tulee kosketukseen 20 ylemmän vasteen 37 kanssa, joka saa vastaavalla tavalla ylemmän lämmönvaihtimen 27 leuat sulkeutumaan liuskan 21 ympärille. Tällöin jäähdytyspinnat 26 tulevat tiiviiseen kosketukseen liuskan 21 kanssa jäähdyttäen sen tehokkaasti ja nopeasti. Tämän jälkeen liuska venyy jälleen kampiakselin 25 24 vetämänä. Sen jälkeen liikesarja toistuu uudelleen.

Kuten kuvioiden 1-3 sovellutuksessakin, myös kuvien 5 ja 6 sovellutuksessa käytetään useita rinnakkaisia liuskoja 21. Kutakin liuskaa varten on tällöin omat lämmönvaihtimet 22 ja 27.

30 Vaste-elimet 37 voivat olla muodoltaan esim. haarukkamai- sia, jolloin tanko 36 joutuu haarukan kahden pystysuoran piikin väliin ja pysyy varmasti kohdallaan.

Vaihtoehtoisesti vaste-elimet 37 ja nivelet 34 voidaan jättää poiskin. Tällöin vaste-elimien 37 kohdalla käytetään 35 rajakatkaisijoita, jotka laukaisevat lämmönvaihtimien leuat sulkevat releet. Lämmönvaihtimet on tällöin kiinnitetty joustavasti esim. saranapuolelle sovitettujen puristusjou- 75402 sien avulla siten, että lämmönvaihtimet suljetussa asennossaan liikkuvat liuskojen 21 mukana.

On myös mahdollista käyttää lämmönvaihtimien saranoitujen leukojen asemesta osia, jotka liikkuvat toisiaan kohti ja 5 toisistaan poispäin siten, että niiden lämmönvaihdinpinnat säilyvät koko ajan samansuuntaisina. Leuoista voi joko toinen tai molemmat olla liikkuvia. Liikkeen pituus voi olla aivan pieni, riittää kun liuska 21 pääsee irtoamaan leukojen välistä.

10 Litteän nauhamaisen Nitinol-liuskan asemesta voidaan käyttää myös pyöreän poikkileikkauksen omaavaa lankaa, jolloin lämmönvaihtimen leuoissa on langan poikkileikkausta vastaavat syvennykset. Tehokkaan lämmönsiirron kannalta kuitenkin litteä nauha on edullisempi. Laitteen tehokkaan toi-15 minnan kannalta on lisäksi tärkeää, että leukojen kosketuspinnat ovat mahdollisimman sileitä ja tasalämpöisiä.

Claims (7)

75402

1. Lämpövoimakone lämpöenergian muuttamiseksi mekaaniseksi energiaksi, jossa lämpövoimakoneessa on vähintään yksi pitkänomainen metallilejeerinkielin (21), joka tietyssä läm-5 pötilassa muuttaa pituuttaan tiettyyn sille aikaisemmin annettuun pituuteen ja sitä alemmissa lämpötiloissa on verraten helposti venytettävä, tunnettu siitä, että laitteessa on kiinteää ainetta oleva jäähdytyspinta (26), jota vasten metallilejeerinkielin (21) on vuorotellen saatetta-10 vissa kosketukseen ja irti kosketuksesta.

2. Patenttivaatimuksen 1 muicainen lämpövoimakone, tunnettu siitä, että laitteessa on kiinteää ainetta oleva lämmityspinta (23), jota vasten metallilejeerinkielin (21) on saatettavissa kosketukseen vuorotellen jäähdytyspin- 15 nan kosketuksen kanssa.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen lämpövoimakone, tunnettu siitä, että lämmityspinta (23) ja/tai jäähdytyspinta (26) ovat kaksiosaisia koskettaen metallilejee-rinkielintä (21) kahdelta puolen, ja että lämmityspinnan 20 (23) ja/tai jäähdytyspinnan (26) osat ovat liikuteltavissa toisiaan kohti tiiviiseen kosketukseen metallilejeerinki-elintä (21) vasten ja toisistaan poispäin.

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen lämpövoimakone, tunnettu siitä, että metallilejeerinkielin 25 (21) on litteä, nauhamainen liuska.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen lämpövoimakone, tunnettu siitä, että lämmityspinta (23) ja/tai jäähdytyspinta (26) ovat metallisia lämmönvaihdinpintoja.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen lämpövoimako-30 ne, tunnettu siitä, että metallilejeerinkielin (21) on niveltyvästi ja epäkeskeisesti kiinnitetty toisesta päästään sitä vastaan kohtisuoran akselin ympäri pyörivään elimeen (24) ja metallilejeerinkielimen (21) kutistuminen saa aikaan pyörivän elimen (24) pyörimisliikkeen, pyörivän eli-35 men (24) venyttäessä sen jälkeen metallilejeerinkielintä.

7. Patenttivaatimuksen 2 ja 5 mukainen lämpövoimakone, tunnettu siitä, että metallilejeerinkielin (21) on 9 75402 kiinnitetty pyörivään elimeen (24) sen päässä olevan nivelletyn tangon (35, 35) avulla, ja että niveltangon kahden puolen on sovitettu vaste-elimet (37), joiden välinen etäi- ' i syys on pienempi kuin pyörivän elimen (24) liikeradan hal-5 kaisija ja joihin on yhdistetty lämmityspinnan (23) ja jääh-dytyspinnan (26) osien liikkeelle impulssin antavat elimet.