ITMO20090008A1 - Impianto di raffreddamento per motori termici di micromodelli - Google Patents

Description

IMPIANTO DI RAFFREDDAMENTO PER MOTORI TERMICI DI MICROMODELLI

DESCRIZIONE

Campo di applicazione

L’invenzione concerne: un impianto di raffreddamento per motori endotermici di micromodelli, ossia un dispositivo a liquido refrigerante od acqua che permette di raffreddare il motore endotermico molto più efficacemente dell'ana. L'impianto realizzato è risultato adatto all'impiego su micromodelli terrestri od aerei .

Arte nota

Lo stato della tecnica comprende già motori termici per micromodelli raffreddati ad acqua, ma gli stessi sono applicati a modelli di imbarcazione con la circolazione dell'acqua attivata in modo meccanico dal risucchio dell'elica di propulsione. Infatti un micromodello di barca è in contatto con lo scafo con l'acqua in cui naviga e, come avviene per le barche reali, può utilizzare l'acqua come mezzo di raffreddamento del motore termico. Cioè sono noti dei motori termici in cui la testata è dotata di uno scambiatore di calore ed a cui viene addotta acqua prelevata all'esterno dello scafo. Il moto dell'acqua nei condotti è assicurato dall'espirazione nel tubo di estrazione dell'acqua riscaldata nella testa per effetto del risucchio causato dal vortice dell'elica di propulsione della barca del micromodello medesimo. Inoltre, i motori per micromodelli di barca presentano il raffreddamento della testa ottenuto mediante uno scambiatore anulare ad U rovesciato sulla testa medesima: durante il funzionamento, sovente si verificano perdite di acqua tra lo scambiatore e la testa, mitigate dall’apporto di acqua a bassa temperatura (quella del campo di gara tra barche) aspirata dal micromodello.

L'applicazione di un impianto di raffreddamento per i micromodelli terrestri od aerei a liquido o ad acqua è limitato dal dimensionamento deirimpianto medesimo che, anche se appare ovvio per il largo uso che raffreddamenti ad acqua od a liquido vengono applicati ai veicoli reali, non risulta cosi semplice e facile da realizzare quando il detto impianto di raffreddamento deve risultare compatibile col veicolo su cui è montato, cioè un micromodello, e che lo scopo di applicazione deirimpianto si deve tradurre in un miglioramento complessivo della resa del motore termico e nelle prestazioni del micromodello nel suo complesso. Cioè sia i micromodelli di automobili o fuoristrada, sia i modelli di aerei, sopportano solo un aumento di massa/peso limitato per poter avvantaggiarsi della più bassa temperatura di esercizio del motore termico del micromodello quando raffreddato ad acqua. Cioè, il raffreddamento attualmente è ottenuto con ampie superfici alettate nella testa del motore, che è sempre a due tempi ad un solo cilindro e, per tener ulteriormente bassa la temperatura del motore, esso viene alimentato con miscela molto ricca di combustibile così da aversi un effetto evaporativo e quindi di raffreddamento del motore. Le ampie superfici alettate della testa causano notevole ingombro alla sagoma del veicolo od aereo. La combinazione dei raffreddamenti ad aria e ad evaporazione di parte del combustibile non permettono allo stato attuale della tecnica l'utilizzo del motore per lunghi periodi o con lunghe durate. E’ noto che i motori impiegati nelle gare tra micromodelli hanno una durata limitata e dopo anche solo 4 ore di funzionamento devono essere sostituiti il pistone, la camicia ed anche il gruppo biella-manovella.

Infatti, contrariamente a quanto avviene nei micromodelli di barca, nei micromodelli terrestri od aerei il peso/massa complessivo/a deirimpianto diventa essenziale e l'appropriata costituzione e dimensionamento ne può risultare la soluzione al problema tecnico che fin ad ora ha impedito l'utilizzo del raffreddamento ad acqua od a liquido refrigerante nei micromodelli.

Peraltro, nella tecnica, non è noto un siffatto impianto essendo i componenti noti non adatti alla richiesta riduzione di dimensioni, massa/peso, ed a migliorare le prestazioni complessive del micromodello, nonché adatti all'aumento di durata del motore medesimo.

Tale stato della tecnica è suscettibile di ulteriori perfezionamenti con riguardo alla possibilità di realizzare un impianto di raffreddamento per motori termici di micromodelli terrestri od aerei che superi gli inconvenienti suddetti.

Da quanto precede deriva la necessità della risoluzione del problema tecnico di trovare una nuova conformazione di un impianto di raffreddamento per motori termici di micromodelli terrestri od aerei in cui le parti sono strutturate ed interagiscono per ottimizzare la capacità di raffreddamento compatibilmente con le necessaire ridotte dimensioni, massa e peso proprie dei micromodelli. Inoltre, un ulteriore scopo dell'invenzione è di trovare una conformazione alla testa che possa presentare uno scambiatore di calore economico da produrre e che eviti i problemi di perdite già riscontrati nei motori per micromodelli di barca.

Sommario dell'invenzione

L'invenzione risolve il problema tecnico suddetto, adottando un impianto di raffreddamento per motori endotermici di micromodelli, comprendente: uno scambiatore di calore applicato alla testa del motore termico; tubazioni di adduzione al e prelievo di liquido refrigerante o acqua dal detto scambiatore di calore; caratterizzato in ciò che presenta tra il tubo di adduzione ed il tubo di prelievo del liquido uno scambiatore di calore con l'aria, o radiatore, ed una pompa di ricircolo del liquido refrigerante od acqua.

In una vantaggiosa soluzione costruttiva presenta un in cui la pompa di ricircolo è comandata da un motore elettrico e, più vantaggiosamente, il raffreddamento dello scambiatore di calore, o radiatore, viene forzato con una elettro-ventola.

Inoltre, in una ulteriore soluzione costruttiva presenta l’elettroventola che copre parte della massa radiante dello scambiatore di calore, o radiatore, in posizione decentrata rispetto alla mezzeria della massa radiante medesima.

Più ancora, in una ulteriore soluzione costruttiva presenta l'elettro-ventola comandata all'accensione, spegnimento e/o regolazione della portata d'aria di raffreddamento mediante un circuito elettronico di controllo; più vantaggiosamente, il circuito elettronico di controllo a sua volta è collegato ed operante mediante una sonda di rilevazione della temperatura raggiunta dalla testa del motore del micromodello.

Inoltre, in una soluzione costruttiva perfezionata presenta una testa per motore endotermico di micromodello, comprendente uno scambiatore termico, tra la testa ed un liquido od acqua refrigerante, di forma anulare con sezione ad “U”; caratterizzata in ciò, che presenta la sezione ad<U>LT, aperta da parte opposta alla testa, e chiusa, a formare intercapedine per il liquido od acqua refrigerante, mediante un coperchio applicato allo scambiatore in opposizione alla testa da raffreddare.

In una vantaggiosa soluzione costruttiva presenta la testa per motore endotermico di micromodello in cui lo scambiatore di calore, tra la testa ed il liquido refrigerante, è realizzato di pezzo con la testa medesima; inoltre, presenta un'intercapedine con scarichi laterali verso l'interno, centro della testa, e verso l'esterno, per aumentare la superficie bagnata dal liquido od acqua refrigerante.

Infine, in una ulteriore soluzione costruttiva presenta la testa per motore endotermico di micromodello, in cui lo scambiatore di calore è dotato di un'intercapedine chiusa mediante un anello di tenuta tra il coperchio e la sommità della detta intercapedine.

Breve descrizione dei disegni

Un modo di attuare l'invenzione è illustrato, a puro titolo esemplificativo, nelle tre tavole di disegno allegate in cui Figura 1 rappresenta una vista schematica di fianco di un motore termico per micromodello con la testa dotata dello scambiatore di calore e dei raccordi per il flusso dell'acqua o liquido refrigerante; Figura 2 è lo schema deirimpianto refrigerante col circuito del liquido refrigerante ove è inserito uno scambiatore di calore, o radiatore, ed una pompa ad azionamento elettrico; sul radiatore è posizionata una ventola per il raffreddamento forzato, qui è anche raffigurato il circuito di controllo e comando dell’impianto di raffreddamento dotato di sonda per rilevare la temperatura della testa del motore; Figura 3 è una vista schematica posteriore del radiatore e Figura 4 è una vista schematica in prospettiva del radiatore di Figura precedente; Figura 5 è una sezione schematica parziale della testa di motore di un micromodello dotata delle scambiatore di calore col liquido refrigerante secondo l'invenzione; infine, Figura 6 è una sezione schematica parziale, analoga alla Figura precedente, con una differente forma di tenuta del liquido refrigerante nell'intercapedine, tra il coperchio ed il corpo dello scambiatore.

Descrizione detagliata di una preferita forma di realizzazione Nella Figura 1 sono visibili il motore 1 sulla cui testa 2 è posizionato ed in contatto con essa uno scambiatore di calore 3 anulare, per consentire il posizionamento centrale ed in asse della candeletta, qui non raffigurata, su cui sono applicati in punti diametralmente opposti i raccordi 4 dei tubi di adduzione 5 ed evacuazione 6 del liquido, od acqua, refrigerante. Il motore comprende un carter 7, entro cui è alloggiato il manovellismo biella-manovella usuale, un albero motore 8, un carburatore 9 nel condotto d'aspirazione, una camicia 10 alettata e su cui sono posti i lavaggi 11 , di ricircolo della miscela all'interno del motore ad ogni ciclo, e l’attacco di scarico 12. Lo scambiatore di calore anulare 3 comprende una intercapedine 13 posta in prossimità del centro della testa chiusa da un coperchio 14 con chiusura anulare 15; il liquido refrigerante entra nella intercapedine attraverso i fori 16 di cui sono dotati i raccordi 4 suddetti. Lo scambiatore anulare presenta tra il coperchio superiore 14, serrato a tenuta, una guarnizione, qui non raffigurata.

Nella Figura 2 l'impianto di raffreddamento è schematizzato con uno scambiatore di calore, o radiatore, 17 collegato in ammissione del liquido refrigerante caldo proveniente dal tubo 6 ed in uscita col tubo 18 di collegamento con la pompa 19 di tipo elettrico. I tubi sono connessi al radiatore mediante gli attacchi 20 in ingresso, collegato al tubo 6, e 21 in uscita collegato al tubo 18; la massa radiante 22 viene raffreddata in modo forzato, vantaggiosamente, mediante la elettro-ventola 23 controllata dal circuito elettronico 24 in funzione, vantaggiosamente, della temperatura raggiunta dalla testa e rilevata da una sonda 25 posta sulla testa 2. Il motore elettrico 26 d'azionamento della pompa è alimentato dal circuito elettronico 24 e dalla batteria 27 a bordo del micromodello.

Nelle Figure 3-4, inoltre, nell'esempio costruttivo schematico del radiatore 17 è visibile il moto deH’aria di raffreddamento A della massa radiante 22. La ventola 23 può essere associata anteriormente o posteriormente alla massa radiante 22 ed in posizione centrata od eccentrica, come nella Figura 2, del fronte del radiatore colpito daH’aria A di corsa del micromodello.

Nella Figura 5 lo scambiatore anulare 3 sulla testa 30 è realizzato di pezzo con la testa medesima, in modo da minimizzare le resistenze al passaggio di calore tra il cielo 31 della camera di scoppio e l’intercapedine 32 dello scambiatore, nonché di raffreddare la sede 33 della candeletta. Inoltre, nell’intercapedine sono realizzate allargamenti di sezione 34 sull'interno e 35 sull’esterno, in posizione spostata dai necessari ringrossi per i fori 36 di passaggio dei prigionieri per il serraggio della testa e del coperchio 14, ottenendo così maggior superficie di contatto tra il liquido refrigerante ed le pareti dell’intercapedine 32.

Nella Figura 6, infine, è illustrata una forma semplificata e, vantaggiosamente, economica di realizzazione dell’intercapedine e di tenuta tra il coperchio 40 e la testa 41. L’intercapedine 42 dello scambiatore 3 ha sezione anulare costante e presenta al bordo superiore uno smusso sulla sommità dell’intercapedine 43, sia sulla parete interna sia sulla parete esterna, della intercapedine; un anello di tenuta 44 (noto come O-ring) di diametro adeguato è serrato tra il detto smusso 45 ed una corrispondente sede bombata 46 per il centraggio e guida presente sul detto coperchio superiore anulare 40.

Da prove eseguite è stato possibile verificare che con le dimensioni del radiatore di 8 cm in larghezza, di 5 cm in altezza e di 2,2 cm di profondità il peso dell’impianto (massa) risulta accettabile da un micromodello di auto che passa dagli originali 3534 g, senza impianto, ai 3864 g con l'impianto. Le masse coinvolte nell’impianto sono risultate del radiatore 150 g, del liquido refrigerante in circolo 85 g, della pompa elettrica 43 g, della circuitazione elettronica 52 g. Più ancora, la pompa scelta a 12 V, anziché essere alimentata da un doppio pacco di batterie da 6 V, ciascuno di massa 120g, viene alimentata tramite un inverter con dissipatore di circa 30 g, contro il peso del secondo pacco di batterie che aggiungerebbe altri 120 g .

La pompa utilizzata è stata di tipo commerciale con mantello in plastica e temperatura massima di funzionamento di 80° per un minuto e normale di 60-65°, avendo una prestazione di portata 750 ml/min., dimensioni di 44x44x20 mm, pertanto di facile alloggiamento in micromodelli in scala da 1 :6 a 1:10.

Così, nelle prove il micromodello usato nella sperimentazione è stato dotato di un motore di 3,46 cc con potenza di 2hp/30000 e venendo utilizzato tra i 3000 ed i 35000 giri ha potuto funzionare con una temperatura media di 71° e con una temperatura del liquido in ingresso 68,5° al radiatore ed in uscita di 65,1° dal radiatore. Il carter del motore ha raggiunto una temperatura contenuta di soli 60°. Come esito finale il micromodello con il medesimo motore e privo d'impianto di raffreddamento ha raggiunto una velocità di 68 km/h circa, mentre con il montaggio deirimpianto di raffreddamento a liquido, secondo l'invenzione, ha successivamente raggiunto la velocità di 75 km/h.

Vantaggiosamente, il radiatore 17, è stato realizzato per migliorare il baricentro del veicolo (micromodello di auto da pista) come nelle figure 3 e 4 con una lunghezza di 8 cm, una altezza di 3 cm ed una profondità di 2,2 cm e la massa è stata cosi ridotta a soli 90 g, compresa la ventola di raffreddamento forzato 23, con fronte quadrato di 25-30 mm di lato, piccola ma efficace, similmente a quelle utilizzate per il raffreddamento delle schede elettroniche dei computer. Inoltre, impiegando elettro-ventole con controllo delle portata d'aria mediante la variazione della tensione d’alimentazione si realizza un controllo molto efficace ed economico del raffreddamento della testa 2.

Pertanto dette prestazioni velocistiche e di riduzione della temperatura, ancorché poco appariscenti, per un micromodello risultano notevoli, tanto da consentire una vita del motore molto più lunga fino ad anche 12-14 ore, rispetto a quanto noto e praticato fino ad ora, atteso che la temperatura di funzionamento di tali tipi di motori per micromodelli è anche dell’ordine di 100-130° cioè molto più alta di quanto rilevato nella sperimentazione suddetta di soli 70-71°.

I vantaggi ottenuti da questa invenzione sono: riduzione dello stress da temperatura degli organi meccanici del motore, in particolare del manovellismo della camicia e del pistone, questa riduzione consente di ottenere un allungamento di durata in condizioni accettabili d’uso da 3 a 4 volte, inoltre, tale riduzione permette l’alloggiamento di cuscinetti volventi nella testa di biella. L’aumento di massa del micomodello non influisce significativamente sulle sue prestazioni, mentre il motore ed il micromodello nel complesso riducono notevolmente il consumo di carburante, in quanto lo stesso non ha più funzioni di raffreddamento; inoltre, nelle prestazioni sportive di corsa tra micromodelli essi devono essere fermati per il rabbocco del combustibile un minor numero di volte, vista la limitata capienza ammessa nel serbatoio, e le gare di durata possono, così, essere affrontate con assai minori costi non dovendosi impiegare più motori per portare a termine la gara. L’impianto di raffreddamento viene comandato in automatico dalla temperatura della testa, come illustrato in Figura 2, cioè il pompaggio del liquido refrigerante avviene continuamente, mentre il raffreddamento forzato svolto dalla elettro-ventola 23 avviene solo per il tempo necessario ad attivare lo scambio termico del radiatore 17 e ridurre la temperatura della testa 2 al valore desiderato, risparmiando così energia elettrica e mantenendo la testa al valore ottimale di temperatura. Infine, il controllo della portata d’aria della elettro-ventola 23 risulta assai vantaggioso, potendo regolare l’effetto di raffreddamento forzato in base al gradiente di temperatura misurato dalla sonda 25.

Quanto descritto in questa invenzione permette la costruzione di motori per micromodelli che sono dotati di raffreddamento ad acqua o liquido refrigerante in modo economico e di sicuro funzionamento. Infatti, la realizzazione di uno scambiatore separato dalla testa è possibile, ma certamente più costoso che non produrre la testa, come mostrato nelle Figure 5 e 6 ove lo scambiatore anulare 3 è di pezzo con la testa medesima. Più ancora lo scambiatore anulare 3 separato consente l'utilizzo su i motori esistenti traformandoli a raffreddamento ad acqua/liquido refrigerante; ciò risulta possibile su quasi tutti i tipi motori. Inoltre, ancorché la testa risulti più complessa per la presenza dello scambiatore anulare 3, nella forma costruttiva di Figura 6 essa risulta assai economica da produrre, potendo essere realizzata di macchina utensile automatizzata od anche per fusione.

Nell'attuazione pratica i materiali, le dimensioni, i particolari esecutivi potranno essere diversi da quelli indicati, ma ad essi tecnicamente equivalenti, senza per questo uscire dal dominio giuridico della presente invenzione.

Così, seppur meno convenientemente, la pompa di ricircolo può essere collegata meccanicamente, mediante una trasmissione adeguata ai regimi di rotazione necessari, al motore endotermico del micromodello e rotante con esso od anche alla trasmissione del moto o di propulsione del micromodello. Oppure, sempre seppur meno vantaggiosamente, la pompa di ricircolo dell'acqua o liquido refrigerante, quando comandata da motore elettrico, può essere controllata o regolata in accessione, spegnimento o velocità di rotazione (variazione portata) dal circuito elettronico di controllo, anziché operare il controllo sulla elettro-ventola o quando l'impianto sia privo di elettro-ventola come descritto nel testo.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Impianto di raffreddamento per motori endotermici (1) di micromodelli, comprendente: uno scambiatore di calore (3) applicato alla testa (2) del motore termico; tubazioni di adduzione al (5) e prelievo di liquido refrigerante o acqua dal (6) detto scambiatore di calore; caratterizzato in ciò che presenta tra il tubo di adduzione ed il tubo di prelievo del liquido uno scambiatore di calore (17) con l’aria, o radiatore, ed una pompa di ricircolo (19) del liquido refrigerante od acqua.
2. 2. Impianto di raffreddamento, secondo la rivendicazione precedente 1 , in cui la pompa di ricircolo (19) è comandata da un motore elettrico (26).
3. 3. Impianto di raffreddamento, secondo una delle rivendicazioni 1 , 2, precedenti in cui il raffreddamento dello scambiatore di calore (17), o radiatore, viene forzato con una elettro-ventola (23).
4. 4. Impianto di raffreddamento, secondo la rivendicazione precedente 3, in cui l’elettro-ventola (23) copre parte della massa radiante (22) dello scambiatore di calore (17), o radiatore, in posizione decentrata rispetto alla mezzeria della massa radiante medesima.
5. 5. Impianto di raffreddamento, secondo la rivendicazione precedente 3, in cui l’elettro-ventola (23) è comandata all’accensione, spegnimento e/o regolazione della portata d'aria di raffreddamento mediante un circuito elettronico di controllo (24).
6. 6. Impianto di raffreddamento, secondo la rivendicazione precedente 3, in cui l'elettro-ventola (24) è comandata all'accensione, spegnimento e/o regolazione mediante un circuito elettronico di controllo (24) a sua volta collegato ed operante mediante una sonda (25) di rilevazione della temperatura raggiunta dalla testa (2) del motore del micromodello.
7. 7. Testa per motore endotermico (1) di micromodello, comprendente uno scambiatore termico (3), tra la testa ed un liquido od acqua refrigerante, di forma anulare con sezione ad “U”; caratterizzata in ciò, che presenta la sezione ad “U”, aperta da parte opposta alla testa (2), e chiusa, a formare intercapedine (13, 32, 42) per il liquido od acqua refrigerante, mediante un coperchio (14, 40) applicato allo scambiatore in opposizione alla testa da raffreddare.
8. 8. Testa per motore endotermico (1) di micromodello, secondo la rivendicazione precedente 7, in cui lo scambiatore di calore (3), tra la testa ed il liquido refrigerante, è realizzato di pezzo con la testa (30, 41) medesima.
9. 9. Testa per motore endotermico (1) di micromodello, secondo la rivendicazione precedente 8, in cui lo scambiatore di calore (3) presenta un'intercapedine (32) con scarichi laterali verso l'interno (34), centro della testa (30), e verso l'esterno (35), per aumentare la superficie bagnata dal liquido od acqua refrigerante.
10. 10. Testa per motore endotermico (1) di micromodello, secondo la rivendicazione precedente 8, in cui lo scambiatore di calore (3) è dotato di un'intercapedine (42) chiusa mediante un anello di tenuta (44) tra il coperchio (40, 46) e la sommità (43, 45) della detta intercapedine (42).