ТЕРМОБИМЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ПРИВОД Б.Ф.КОЧЕТКОВА Российский патент 1995 года по МПК F03G7/06 

Изобретение относится к устройствам для получения механической энергии, использующим тепловую энергию, в частности к термочувствительным элементам, обеспечивающим приведение в действие, управление и регулирование приборов, механизмов и иных устройств.

Известны термобиметаллы, состоящие из двух прочно соединенных металлов или сплавов, обладающих различным температурным коэффициентом линейного расширения, способных изгибаться при нагревании.

Такие термобиметаллы имеют небольшую нагрузочную способность и амплитуду изгиба, а также не обеспечивают постоянства направления вектора передаваемой силы при различной температуре нагрева.

Известен также термограф, содержащий чувствительный элемент в виде термобиметаллической пластины, способной деформироваться при изменении температуры окружающей среды, и систему передаточных рычагов между пластиной и управляемым устройством.

Чувствительный элемент термографа имеет те же недостатки, что и указанный выше термобиметалл, поскольку в нем применяется термобиметаллическая пластина, установленная на основании в виде консоли.

Предлагаемое изобретение обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении нагрузочной способности и увеличении амплитуды теплового расширения при сохранении постоянства направления вектора передаваемой силы.

Указанный технический результат достигается тем, что у термобиметаллического привода, содержащего основание, установленный на нем термобиметаллический силовой элемент, кинематически связанный с узлом отбора мощности, средства нагрева и охлаждения, применяется термобиметаллический силовой элемент, выполненный в виде пружины, в которой активные и пассивные слои расположены относительно друг друга в противоположных направлениях вдоль осевой линии пружины, а кинематическая связь выполнена в виде рычажного механизма, шарнирно соединенного с концами биметаллической пружины на осевой ее линии.

Рычажный механизм выполнен в виде шарнирно соединенных пар рычагов второго рода, установленных симметрично осевой линии термобиметаллической пружины.

Рычажный механизм выполнен в виде шарнирно соединенных рычагов первого рода, связанных друг с другом в пары в средней части, при этом пары рычагов последовательно шарнирно связаны друг с другом и с внешними относительно них парами рычагов второго рода, при этом шарниры термобиметаллической пружины установлены соосно и связаны с шарнирами пар рычагов.

Термобиметаллические пружины установлены параллельно и связаны с шарнирами пар рычагов с двух их сторон.

Пары рычагов, шарниры термобиметаллических пружин и пар рычагов установлены симметрично прямой линии, проходящей через шарниры рычагов, середин основания и термобиметаллических пружин.

Указанные существенные признаки, характеризующие изобретение, обеспечивают повышение нагрузочной способности, поскольку термобиметаллический силовой элемент, выполненный в виде витой пружины, обладает большей жесткостью и способен воспринять и передать более значительную нагрузку по сравнению с прямолинейным биметаллическим листом, прутом или полосой той же длины, которые подвержены изгибу даже под воздействием незначительных сил. Кроме того, повышение нагрузочной способности обеспечивается применением нескольких параллельных термобиметаллических элементов, связанных с разными парами рычагов, с суммированием передаваемых ими сил. Амплитуда теплового расширения всего привода в целом возрастает за счет применения рычагов и последовательной связи нескольких пар рычагов, амплитуды перемещения которых при тепловом расширении термобиметаллических элементов суммируются. Постоянство направления вектора передаваемой силы обеспечивается симметричностью привода относительно прямой линии, вдоль которой происходит тепловое расширение и передача действующих сил при любой температуре нагрева термобиметаллических элементов и независимо от величины их деформации.

На фиг. 1 показано устройство термобиметаллического привода, общий вид; на фиг. 2 и 3 приведены частные случаи выполнения привода в двух проекциях соответственно; на фиг.4 проиллюстрирована схема работы привода.

Термобиметаллический привод содержит термобиметаллический силовой элемент 1, выполненный в форме витой или винтовой пружины, изготовленной из биметаллического листа, полосы или прута, активный 2 и пассивный 3 слои которой расположены относительно друг друга в противоположных направлениях вдоль осевой линии О₁-О₁ фигуры пружины. Концы пружины в данном конкретном выполнении имеют поперечные выступы 4, с которыми при помощи шарниров 5 термобиметаллического силового элемента связаны рычаги 6, в данном случае выполненные в виде рычагов второго рода в форме стержней, другие концы которых связаны между собой при помощи шарнира 7 рычагов и составляют пару рычагов второго рода. Оба шарнира 5 термобиметаллического силового элемента находятся на одинаковом расстоянии от осевой линии О₁-О₁ фигуры пружины и на меньшем от нее расстоянии по сравнению с шарниром 7 рычагов. Шарниры 5 термобиметаллического силового элемента могут также располагаться на его осевой линии О₁-О₁. Все шарниры выполнены в виде осей, обеспечивающих возможность поворота связываемых ими деталей относительно друг друга. Симметрично относительно осевой линии О₁-О₁ фигуры пружины термобиметаллического силового элемента по другую сторону от пружины располагается вторая такая же пара рычагов, шарнир 7 которой установлен на основании 8 термобиметаллического привода.

Как частный случай выполнения (см. фиг.2) применяются рычаги 9 первого рода, связанные друг с другом в пары в средней своей части при помощи шарниров 7 рычагов, а такие пары рычагов последовательно связаны друг с другом и с внешними относительно них парами рычагов второго рода 6 при помощи шарниров 10 пар рычагов, которые в данном случае в целях компактности и упрощения устройства размещены соосно шарнирам 5 термобиметаллических силовых элементов. В зависимости от частного случая выполнения такой привод может иметь один термобиметаллический силовой элемент 1, связанный с любой парой рычагов, или содержать термобиметаллические силовые элементы в каждой паре рычагов, в том числе по нескольку элементов, расположенных параллельно и симметрично с двух сторон от шарниров 10 пар рычагов, с которыми посредством шарниров 5 соответственно связаны все эти элементы.

Пары рычагов 6, 9, шарниры термобиметаллических элементов и шарниры 10 пар рычагов размещены симметрично прямой линии О-О, являющейся осью симметрии привода в целом и проходящей через шарниры 7 рычагов и середину основания 8.

Термобиметаллический привод работает следующим образом.

При тепловой деформации термобиметаллического силового элемента 1 происходит увеличение или уменьшение его длины вдоль осевой линии О₁-О₁, что приводит к повороту на шарнирах 5, 7, 10, связанных с элементом 1 рычагов 6, 9 и перемещению вдоль осевой линии О-О шарниров 7 рычагов, внешний из которых воздействует с силой F на приводимое в действие устройство. Величина перемещения внешнего из шарниров 7 рычагов зависит от числа применяемых пар рычагов. В связи с симметричностью термобиметаллического привода относительно осевой линии О-О, направление вектора передаваемой силы F при любой степени тепловой деформации термобиметаллических силовых элементов будет неизменным вдоль этой осевой линии. Нагрузочная способность привода или величина передаваемой им силы F зависит от числа применяемых термобиметаллических силовых элементов.

В каждой паре рычагов величина перемещения шарнира 7 рычагов при тепловой деформации термобиметаллического силового элемента 1 превышает амплитуду перемещения концов этого элемента или его шарниров 5. Это вытекает из приведенного ниже анализа, проиллюстрированного на фиг.4, с применением конкретных величин. Принимается, что в исходном положении угол АБВ между рычагом 6 и осевой линией О₁-О₁ в точке шарнира 5 является углом α и равен 30^о. После теплового удлинения биметаллического элемента 1 угол АГД между этим рычагом и осевой линией составляет 12^о и обозначается углом β. Неизменная длина рычага 6 или отрезков БВ и ГД принимается за единицу. При этих условиях, исходя из прямоугольных треугольников АБВ и АГД, следует, что
АВ БВ sin α sin 30^о 0,5;
АД ГД sin β sin 12^o 0,21;
АБ БВ cos α cos 30^o 0,87;
АГ ГД cos β cos 12^o 0,98.

Следовательно, при данных условиях перемещение шарнира 7 между точками В и Д составило 0,29 от длины рычага 6 (0,5-0,21), в то время, как конец термобиметаллического силового элемента 1 и его шарнир 5 переместился только на 0,11 длины этого рычага (0,98-0,87), т.е. величина перемещения шарнира 7 превысила величину перемещения шарнира 5 примерно в три раза. При двух парах рычагов (см. фиг. 1) это различие в данном случае возрастет до шести раз. Применение нескольких пар рычагов позволяет дополнительно соответственно увеличить амплитуду перемещения внешнего шарнира термобиметаллического привода.

Использование: энергетика, в частности устройства для получения механической энергии при тепловом расширении биметаллических элементов, обеспечивающие приведение в действие механизмов и устройств. Сущность изобретения: биметаллический элемент 1 выполнен в форме витой или винтовой пружины, изготовленной из биметаллического листа, полосы или прута, активный 2 и пассивный 3 слои которой расположены относительно друг друга в противоположных направлениях вдоль осевой линии фигуры пружины, а с ее концами при помощи шарниров 5 биметаллического элемента связаны своими концами рычаги 6, которые связаны друг с другом шарниром 7 рычагов и образуют пару рычагов, оба шарнира 5 биметаллического элемента находятся на осевой линии фигуры пружины, все шарниры привода выполнены в виде осей, обеспечивающих возможность поворота связываемых ими деталей относительно друг друга, в частных случаях выполнения привода применяются две пары рычагов второго рода 6, размещенные симметрично осевой линии фигуры пружины биметаллического элемента, или рычаги первого рода, связанные друг с другом в пары шарниром 7 рычагов в средней своей части, при тепловой деформации или уменьшением их длины происходит поворот рычагов на всех связанных с ними шарнирах с перемещением концевых шарниров 7 рычагов на большее расстояние по сравнению с перемещением концов биметаллического элемента 1, амплитуда перемещения концевых шарниров 7 рычагов зависит также от числа применяемых пар рычагов, нагрузочная способность при этом увеличивается за счет применения нескольких расположенных указанным выше порядком биметаллических элементов. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Термобиметаллический привод, содержащий основание, установленный на нем термобиметаллический силовой элемент, кинематически связанный с узлом отбора мощности, средства нагрева и охлаждения, отличающийся тем, что термобиметаллический силовой элемент выполнен в виде пружины, в которой активные и пассивные слои расположены относительно друг друга в противоположных направлениях вдоль осевой линии пружины, а кинематическая связь в виде рычажного механизма, шарнирно соединенного с концами биметаллической пружины на осевой ее линии. 2. Привод по п.1, отличающийся тем, что рычажный механизм выполнен в виде двух шарнирно соединенных пар рычагов второго рода, установленных симметрично относительно осевой линии термобиметаллической пружины. 3. Привод по п. 1, отличающийся тем, что рычажный механизм выполнен в виде шарнирно соединенных рычагов первого рода, связанных друг с другом в пары в средней части, при этом пары рычагов последовательно шарнирно связаны друг с другом и с внешними относительно них парами рычагов второго рода, при этом шарниры термобиметаллической пружины установлены соосно и связаны с шарнирами пар рычагов. 4. Привод по п. 1, отличающийся тем, что термобиметаллические пружины установлены параллельно и связаны с шарнирами пар рычагов с двух их сторон. 5. Привод по п.1, отличающийся тем, что пары рычагов, шарниры термобиметаллических пружин и пар рычагов установлены симметрично относительно прямой линии, проходящей через шарниры рычагов, середин основания и термобиметаллических пружин.