Патент Тесла 514

Патентное Ведомство Соединенных Штатов. ______________ НИКОЛА ТЕСЛА, ИЗ НЬЮ ЙОРКА, N. Y.
ПАТЕНТ ТЕСЛА 514,169 ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ____________
СПЕЦИФИКАЦИЯ, являющаяся частью Патента № 514,169,
датированного 6 февраля 1894. Заявка, подана 19 августа 1893. Серийный номер № 483,563. (Нет модели.)

Всем, кого это может касаться: Да будет известно, что я, Никола Тесла, гражданин Соединенных Штатов, проживающий в Нью-Йорке, в округе и штате Нью-Йорк, изобрел некоторые новые и полезные усовершенствования в поршневых двигателях, описание которых со ссылкой на прилагающийся чертеж приводится ниже. В изобретении, которое является предметом моей настоящей заявки, моя цель была, прежде всего, представить двигатель, который под влиянием приложенной силы, такой как упругое напряжение пара или газа под давлением, даст колебательное движение, которое, в очень широких пределах, будет иметь постоянный период, независимо от изменения нагрузки, потерь на трение и других факторов, которые во всех обычных двигателях производят изменения в скорости возвратно-поступательного движения. Дальнейшей задачей изобретения является представить механизм, способный преобразовывать энергию пара или газа под давлением в механическую энергию более экономично, чем формы двигателя, используемые до сих пор, в основном путем преодоления потерь, к которым приводит комбинация с вращающимися частями поршневой системы, обладающая большой инерцией; который кроме того, лучше адаптирован для использования при высоких температурах и давлениях, и который допускает полезные и практические применения в общепромышленных целях, особенно в небольших подразделениях. Изобретение основано на некоторых хорошо известных механических принципах, изложение которых поможет лучшему пониманию характера и целей искомых объектов и полученных результатов. До сих пор, когда давление пара или любого газа использовалось и применялось для производства механического движения, было принято соединять с возвратно-поступательными или движущимися частями двигателя маховик или некоторую роторную систему, эквивалентную по своему действию и обладающую сравнительно большой механической инерцией, которая необходима была главным образом для поддержания постоянной скорости. Несмотря на то, что это гарантирует до некоторой степени эту цель, делает невозможным достижение результата, на который я рассчитывал, и присутствуют недостатки, которые моим изобретением полностью устранены. С другой стороны в некоторых случаях, когда поршневые двигатели или оборудование были использованы без вращающейся системы большой инерции, никаких попыток, насколько я знаю, не было сделано для обеспечения условий, которые неизбежно дали бы такие результаты, какие я достиг. Есть хорошо известный принцип, что если пружина, обладающая заметной инерцией, будет под напряжением, а также растянута и затем освобождена, она будет колебаться изохронно, так как период в основном зависит от жесткости пружины и собственной инерции, или системы, непосредственной частью которой она может состоять. Это, как известно, верно во всех случаях, когда сила, которая стремится привести пружину или подвижную систему в заданное положение, пропорциональна перемещению. В реализации моего изобретения и для обеспечения целей, в общих чертах сформулированных выше, я использую энергию пара или газа под давлением, действующую через надлежащий механизм, чтобы поддерживать в колебании поршень, и, воспользовавшись выше изложенным законом, я соединяю с указанным поршнем, или заставляю действовать на него, пружину, в таких условиях, чтобы автоматически регулировать период колебания, так, что чередующиеся импульсы силы, толкающей поршень, и собственные колебания пружины должны всегда соответствовать в направлении и совпадать по времени. Хотя, в практике изобретения я могу использовать любой вид пружины или упругого тела, для которого верен выше определенный закон или принцип работы, я предпочитаю использовать воздушную пружину, или, вообще говоря, ограниченное тело или подушку из упругой газообразной среды, так как технические трудности в использовании обычных или металлических пружин серьезны, главным образом, из-за их склонности ломаться. Более того, вместо этого поршень ударяется непосредственно о такие подушки в пределах данного цилиндра, я предпочитаю, чтобы избежать влияния изменения давления пара или газа, которое воздействует на поршень и которое могло бы нарушить отношения, необходимые для поддержания изохронной вибрации, а также более эффективно использовать тепло, выделяющееся при сжатии, использовать независимый плунжер, соединенный с основным поршнем, и камеру или цилиндр, следовательно, содержащую воздух, который обычно, при таком же давлении как внешняя атмосфера, ибо так пружина практически постоянной жесткости получается, но воздух или газ внутри цилиндра может сохраняться при любом давлении. Для того чтобы описать наилучшим известным мне способом, в котором изобретение есть или может быть осуществлено, я ссылаюсь на прилагаемый чертеж, который изображает центральное поперечное сечение двигателя, олицетворяющего мои усовершенствования. A - главный цилиндр, в котором работает поршень B. Впускные каналы C C проходят через боковые стенки цилиндра, каналы в средней части последнего и на противоположных сторонах. Выпускные каналы D D проходят через стенки цилиндра и выполнены с ветвями, которые открываются во внутреннее пространство цилиндра на каждой стороне впускных каналов и на противоположных сторонах цилиндра. Я не считаю особо важным конструкцию и расположение цилиндра, поршня и каналов для управления им, за исключением того, что желательно, чтобы все каналы и, особенно, выхлопные каналы были сделаны намного больше, чем это обычно бывает, так, чтобы никакая сила за счет действия пара или сжатого воздуха не стремилась замедлить или влиять на возвращение поршня в любом направлении. Поршень B прикреплен к штоку H, который работает в подходящих сальниках в крышках цилиндра A. Этот шток удлинен в одну сторону и проходит через опоры V в цилиндре I, соответствующе установленные или поддерживаемые в линии с первыми, и в пределах которого диск или плунжер J передвигается штоком H. Цилиндр I без отверстий любого вида и является герметичным за исключением случаев, когда небольшая утечка может произойти через опоры V, которые, как показал опыт, нет необходимости устанавливать с любой очень большой точностью. Цилиндр I окружен кожухом K, который оставляет открытое пространство или камеру вокруг него. Опоры V в цилиндре I, проходят через кожух K к наружному воздуху и камера между цилиндром и кожухом выполнена непроницаемой для пара или воздуха с помощью соответствующего уплотнения. Основной подающий трубопровод L для пара или сжатого воздуха подведен к этой камере, и две трубки, которые ведут к цилиндру из указанной камеры, стаканы с маслом М удобно расположенные, чтобы поставлять масло по указанным трубкам для смазки поршня. Кожух K, содержащий цилиндр I, снабжен фланцем N, которым он прикручивается к концу цилиндра А, показан на детальном виде двигателя. Небольшая камера O, образованная таким образом, снабжена воздушными вентиляционными отверстиями P на его стенках и капельными трубками Q, ведущими из нее, через которые масло удаляется наружу. Объясню теперь функционирование выше описанного устройства. В положении частей, показанных на рисунке, или когда поршень расположен в средней точке своего хода, плунжер J находится в центре цилиндра I и воздух по обе стороны последнего находится при нормальном давлении внешней атмосферы. Если источник пара или сжатого воздуха будет затем подключен к впускным каналам C C цилиндра и движение будет передано поршню, как внезапным ударом, последнее обусловлено возвратнопоступательным движением, хорошо известным способом. Движение поршня в любом направлении прекращается, когда сила, стремящаяся понудить его и импульс, который он приобрел, уравновешивается ростом давления пара или сжатого воздуха в том конце цилиндра, в направлении которого он движется, и в своем движении поршень имеет остановку в заданной точке, давление, которое побудило его и создало давление, которое имеет тенденцию, чтобы вернуть его, оно затем побуждает в противоположном направлении, и это действие продолжается до тех пор, пока требуемое давление применяется. Движения поршня сжимает и разряжает воздух в цилиндре I на противоположных концах последнего попеременно. Прямой ход сжимает воздух впереди плунжера J, который действует как пружина, чтобы вернуть его. Аналогично на обратном ходе воздух сжимается на противоположной стороне плунжера J и имеет тенденцию двигать его вперед. Это действие плунжера над воздухом, содержащимся в противоположных концах цилиндра, точно такое же в принципе как будто шток поршня был подключен к средней точке сжатой пружины, концы которой присоединены к зафиксированным опорам. Следовательно, две камеры можно рассматривать как единую пружину. Сжатие воздуха в цилиндре I и последующая потеря энергии, обусловлена в основном несовершенной упругостью воздуха, создающего рост очень значительного количества тепла. Это тепло я использую для подведения пара или сжатого воздуха в цилиндр двигателя через камеру, образованную кожухом, окружающим воздушную пружину цилиндра. Тепло, таким образом, поглощается и используется для повышения температуры пара или воздуха, действующего на поршень, полезно увеличивая эффективность двигателя. В любом двигателе такого рода нормальное давление будет производить ход определенной длины, и он будет увеличен или уменьшен в зависимости от увеличения давления выше или снижения давления ниже нормального. При конструировании аппарата я предусматриваю, для изменения в длине хода, дать правильно подобранные размеры воздушной пружине с ограничивающим цилиндром I. Чем больше давление на поршень, тем выше будет степень сжатия воздушной пружины, и, как следствие, противодействующая сила на плунжер. Скорость или период возвратнопоступательного движения поршня вместе с тем больше не зависит от давления, подаваемого в этот привод, каким может быть период колебаний маятника, постоянно поддерживаемого в вибрации, от силы, которая побуждает его периодически, эффекта отклонения такой силы, чтобы просто произвести соответствующие изменения в длине хода или амплитуде колебания соответственно. Период определяется, главным образом, жесткостью воздушной пружины и инерцией подвижной системы, и поэтому я могу добиваться любых периодов колебания в весьма широких пределах путем правильной дозировки этих факторов, например, варьируя размеры воздушной камеры, что эквивалентно различной жесткости пружины, или за счет корректировки веса подвижных частей. Все эти условия легко определимы, и двигатель, сконструированный как здесь описано, может быть сделан следуя изложенному выше принципу работы и поддерживать идеально постоянный период в очень широких пределах давления, нежели при обычном использовании, он может быть либо ведомым и он может быть успешно использован как первичный двигатель, где требуется постоянная скорость колебаний или скорость, при условии, что пределы, в рамках которых силы, стремящиеся возбуждать подвижную систему до заданной позиции, пропорционально перемещениям, существенно не превышены. Давление воздуха ограничено в цилиндре, когда плунжер J находится в центральном положении практически всегда, как в окружающей атмосфере, в то же время цилиндр сконструирован таким образом, чтобы не допустить внезапного выхода воздуха, что заметно ослабит или смягчит действие воздушной пружины, хотя в наличии все равно будет медленная утечка воздуха внутри или вне вокруг штока поршня в зависимости от давления в нем, так что давление воздуха на противоположных сторонах плунжера всегда будет иметь тенденцию оставаться как во внешней атмосфере.  Как пример применений, в которых этот двигатель может быть использован, я показал шток поршня, соединенный с собачкой R, колебание которой управляет вращением череды зубчатых колес. Это может представлять собой часовой механизм или любой другой механизм. Собачка R поворачивается на R' и ее раздвоенный конец входит в зацепление с зубом храпового колеса попеременно на противоположных сторонах её, один конец собачки в каждой половине колебания, действующий, чтобы продвинуть колесо вперед через пространство одного зуба, когда он зацеплен и заперт на другом конце на последней половине колебания, которое приводит конец кулачка в положение, чтобы войти в зацепление с другим зубом. Другой областью применения изобретения является перемещение проводника в магнитном поле для генерации электрических токов, и в этих и других аналогичных целях, очевидно, что особенности двигателя делают его особенно подходящим для использования в небольших объемах или агрегатах. Описав теперь мое изобретение я заявляю, что –

1. Поршневой двигатель, состоящий из комбинации, цилиндра, поршня и пружины, соединенной с или действующей на возвратно-поступательный элемент, указанная пружина и возвратно-поступательный элемент, связаны в значительной степени как описано, так что силы, которые стремятся привести возвратно-поступательные части в данную позицию, пропорциональны перемещениям, в результате чего получаются изохронные колебания.
2. Поршневой двигатель, состоящий из комбинации, цилиндра, поршня, движимого паром или газом под давлением, и воздушной пружины, поддерживаемой в колебании движениями поршня, поршень и пружина, будучи связаны в значительной степени как описано, так что силы, которые стремятся привести возвратно-поступательные части в
данную позицию, пропорциональны перемещениям, в результате чего получаются изохронные колебания.
3. Комбинация цилиндра и поршня, приспособленного для возвратнопоступательного движения под давлением пара или газа, цилиндр и плунжер, движущийся там возвратно-поступательно поршнем и образующаяся воздушная пружина, действующая на поршень, поршень и пружина, будучи связанными описанным выше способом, так что силы, которые стремятся привести поршень в данную позицию, пропорциональны перемещениям, в результате чего получаются изохронные колебания поршня.
4. Комбинация цилиндра и поршня, приспособленного для возвратнопоступательного движения под давлением пара или газа, цилиндр и поршень, образующаяся воздушная пружина, соединенная с поршнем, кожух, образующий камеру вокруг воздушной пружины, через которую пар или сжатый газ проходит по пути к цилиндру, также как и для целей, изложенных выше.
5. Метод получения изохронных движений, описанный здесь, который состоит из возвратно-поступательного движения поршня под давлением пара или газа и управления
скоростью или периодом возвратно-поступательного движения посредством колебания пружины, как указано.
6. Метод функционирования поршневого двигателя, заключающийся в возвратнопоступательном движении поршня, поддерживаемым движениями поршня, колебанием воздушной пружины и использованием тепла, порождаемого сжатием пружины для пара или газа, движущего поршень.

НИКОЛА ТЕСЛА.

Свидетели: PARKER W. PAGE,

R. F. GAYLORD.