УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА В ТЕПЛИЦЕ Российский патент 1995 года по МПК A01G9/14 A01G9/24 C22C14/00 

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано для поддержания температуры в помещениях с регулируемым тепловым режимом, например в сооружениях защищенного грунта (теплицах, парниках и т.п.).

Большая часть территории РФ в отношении земледелия расположена в так называемой зоне риска. Поэтому как в государственном, так и частном секторе сельского хозяйства широкое распространение получило использование теплиц, парников, основной функцией которых является поддержание определенного температурного режима, следовательно конструкция их должна содержать устройство для вентиляции открывания и закрывания фрамуг.

Условно все термоприводы, используемые для открывания и закрывания фрамуг можно разбить на два класса. К первому относятся конструкции, имеющие в своей основе два самостоятельных элемента чувствительный элемент (датчик температуры) и исполнительный элемент (электрические, механические и т.д. приводы). Во второй класс входят устройства, где функции контроля температуры и исполнения сигнала совмещены в одном элементе, выполненном из сплавов с памятью формы.

Так известен терморегулируемый парник (авт.св. N 1218997, кл. А 01 G 9/20, опубл. Б. N 11, 1986 г). Парник содержит каркас с шарнирно закрепленной на нем рамой и привод поворота рамы. При этом каркас снабжен несколькими направляющими, в одной из которых расположен переставной опорный кронштейн, а привод поворота рамы выполнен в виде изогнутых пластин из материала, обладающего эффектом памяти формы с различной температурой восстановления формы, и закрепленных одним концом на раме с возможностью взаимодействия другим концом с опорным кронштейном. При заданной температуре внутри парника рама находится в опущенном положении, закрывая парник. При этом изогнутая пластина, которая своим концом взаимодействует с опорным кронштейном, находится в сжатом состоянии. При достижении температуры внутри парника выше заданной пластина распрямляется, упирается в кронштейн и поворачивает раму, открывая ее. При снижении температуры внутри парника ниже заданной пластина сжимается и рама закрывает парник. Для изменения температурного режима внутри парника кронштейн устанавливают против другой изогнутой пластины, имеющей другую температуру восстановления формы, а остальные пластины, распрямляясь, не открывают раму, так как не взаимодействуют с опорным кронштейном. К недостаткам относится то, что привод поворота рамы не обеспечивает плавной регулировки температурного режима внутри парника, а наличие нескольких термочувствительных пластин, выполненных из материала с памятью формы, делает устройство дорогостоящим.

Известна также терморегулируемая теплица (авт. св. N 1477324, кл. А 01 G 9/24, опубл. Б. N 17, 1989 г). Теплица включает поворотную раму, шарнирно закрепленную на каркасе, и привод поворота рамы. Привод поворота выполнен в виде телескопически расположенных гильз разного диаметра из теплопроводного материала с отверстиями в днищах и стенках. Между днищами гильз размещены пружины, изготовленные из материала с памятью формы и имеющие различные температуры восстановления формы. Привод поворота рамы установлен на основании и соединен с рамой посредством тяги и шарнира. При этом в гильзе наибольшего диаметра размещена пружина, имеющая наименьшую среди всех пружин температуру восстановления формы. Остальные пружины имеют последовательно увеличивающуюся температуру восстановления формы. При повышении температуры в теплице прогреваются гильзы и пружины. Пружина, имеющая наименьшую температуру восстановления формы, распрямляется и тягой частично открывает поворотную раму теплицы. Дальнейшее повышение температуры в теплице вызывает последовательное распрямление пружин и дальнейшее открывание рамы. Как видно устройство обеспечивает плавную регулировку температурного режима в теплице. Однако это достигается за счет усложнения конструкции (наличие в ней 2-х самостоятельных элементов: датчика температуры, выполненного в виде гильз из теплопроводного материала, между которыми размещены пружины, изготовленные из материала с памятью формы, и механического привода поворота рамы, установленного автономно (посредством тяги и шарнира).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство для регулирования температуры в парнике, содержащее каркас, на боковых стенках которого шарнирно укреплены рамы, которые могут поворачиваться на 90^о, и привод рамы в виде термочувствительного элемента из никелида титана. Для обеспечения автоматического поворота рам одна из осей рамы жестко соединена соосно с барабаном, на котором укреплен тросик с грузом. На барабане установлена штанга, которая упирается в термочувствительный элемент в виде изогнутой пластины, закрепленной на внутренней стенке каркаса. При достижении в парнике максимально допустимой температуры, равной температуре обратного мартенситного превращения изогнутого на 180^о термочувствительного элемента, в нем генерируются напряжения возврата за счет эффекта памяти, достигающие 50-60 кг/мм². При этом термочувствительный элемент, преодолевая момент трения в шарнирах рамы и крутящий момент от действия груза, посредством штанги поворачивает барабан и раму на 90^о, после чего происходит проветривание парника. При понижении температуры в парнике до минимально допустимой, соответствующей температуре прямого мартенситного превращения, которая на 10-15^оС ниже температуры обратного мартенситного превращения, в термочувствительном элементе происходят структурные превращения и модуль упругости понижается в 3-4 раза. При этом крутящий момент от действия груза, оставаясь постоянным, преодолевает момент трения в шарнирах рамы и деформирует термочувствительный элемент в исходное положение, одновременно раскрывая раму (авт. св. N 1672957, кл. А 01 G 9/24, опубл. N 32, 1991 г.).

К недостаткам устройства относится то, что привод поворота рамы выполнен в виде пластины из материала, обладающего эффектом памяти формы (никелида титана), которая установлена с возможностью работы на изгиб, и не обеспечивает плавной регулировки температурного режима внутри парника. Так в процессе работы устройства при достижении в парнике максимально допустимой, т.е. какой-то конкретной критической температуры пластина, распрямляясь, толкает штангу, которая в свою очередь поворачивает барабан, груз поднимается и рама открывается. При понижении температуры опять до критической пластина сгибается, груз опускается и рама закрывается. Сгибаясь и разгибаясь, пластина скользит по штанге, преодолевая при этом силу трения, которая относится к паразитным механическим потерям, уменьшающим угол поворота рамы. В свою очередь штанга тоже скользит по поверхности пластины и при этом ее полезная площадь сокращается. Это снижает точность регулировки температуры и ухудшает микроклимат внутри парника. В этом случае для достижения той же точности необходимо увеличить массу термочувствительного элемента (пластины), что ведет к удорожанию устройства. Кроме того, во-первых, никелид титана, из которого выполнена пластина, имеет релейную зависимость мартенситной деформации от температуры. Во-вторых, уже в свободном состоянии для никелида титана гистерезис (зона нечувствительности) составляет 30-40^оС, а под нагрузкой эта мертвая зона увеличивается и при уровне напряжений противодействия до 60 кг/мм² эта зона составляет не менее 50-60^оС. Таким образом применение никелида титана в качестве материала для изготовления термопривода поворота рамы невозможно, т. к. при 0^оС рама будет закрыта и начнет открываться при 50-60^оС (авторы: Башарова Н.Н. и др. "Металловедение и термическая обработка металлов", 1988 г. N 1, с. 27-28).

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является обеспечение возможности плавной регулировки в широком диапазоне рабочих температур.

Поставленная задача реализуется тем, что устройство для регулирования температуры, как и в прототипе, содержит поворотную раму, барабан, установленный на оси вращения рамы, проходящей через ее центр тяжести, на образующей которого с помощью гибкой связи подвешен груз, и привод поворота рамы в виде термочувствительного элемента из сплава, обладающего эффектом памяти формы. Отличием от прототипа является то, что термочувствительный элемент закреплен на оси вращения рамы и выполнен из материала на основе титан-никелевого сплава при следующем соотношении компонентов (мас.): Ti _44,93 Ni _55,07-x Cu_x, где x=10,64-14,15. Закрепление термочувствительного элемента на оси вращения рамы (соосно с возможностью работы на кручение и перпендикулярно ей на растяжение), позволяет при любых изменениях температуры внутри парника плавно поворачивать раму в положение "открыто" или "закрыто". Исключается передаточный механизм "штанга" и точность регулировки повышается. Сплав ТНМ (титан-нитель-медь), из которого выполнен термочувствительный элемент проявляет плавную (нерелейную) зависимость мартенситной деформации от температуры. Испытания проводили на специальной установке, чувствительным элементом которой является тензодатчик сопротивления. Контроль мартенситных точек осуществляли измерением электросопротивления четырехточечным методом ампервольтметра. Результаты изменений деформационно-силовых характеристик материала приведены на фиг. 3. Температурные зависимости накапливаемой и восстанавливаемой деформации сняты в температурных интервалах, близких к температурам срабатывания термопривода 20 ±3-40± 3^оС, соответствующие зоны отмечены на фиг. 3 вертикальными пунктирными линиями. Так в интервале рабочих температур сплав обнаруживает гистерезисные петли с зоной нечувствительности 1,5-3^оС. Функциональные элементы на базе этих сплавов дают возможность разрабатывать термоприводы с плавным ходом в пределах 10-15^оС в диапазоне -20±50^оС (вся область температур от -20 до +50^оС может быть покрыта гистерезисными петлями аналогичными петле на фиг. 3). Состав материала описывается кругом радиусом в 1 ат. в концентрационном треугольнике с центром в точке соответствующей составу: 50 ат. Ti 40 ат. Ni 10 ат. Cu. Внутри круга материал имеет следующие характеристики:
Рабочий интервал от -20 до +50^оС
Ход: 1% деформации на 20^оС
Зона нечувствительности 1,5-3^оС
Как видно из приведенных в таблице 1 данных, оптимальное содержание Сu в сплаве составляет (мас.) 10,64-14,15. При содержании меди менее 10,64 и более 14,15 мас. зона нечувствительности возрастает (чем меньше зона нечувствительности, тем точнее поддержание температуры) и диапазон рабочих температур сужается. Содержание Ti постоянно.

На фиг. 1, 2 дан общий вид устройства и схематично показан принцип работы: фиг. 1 на кручение (вариант "а" термочувствительный элемент установлен соосно с осью вращения рамы), фиг. 2 на растяжение (вариант "б" термочувствительный элемент установлен перпендикулярно оси вращения рамы). На фиг. 3 показана температурная зависимость накапливаемой и восстанавливаемой деформации ТНМ сплава.

Предлагаемое в качестве изобретения устройство содержит раму 1, которая шарнирно укреплена на каркасе 2 (неподвижной несущей конструкции). При этом шарниры расположены на оси 3, проходящей через центр тяжести рамы. Устройство содержит также шкив 4, установленный на оси вращения рамы 3, на образующей которого с помощью тросика 5 подвешен груз 6, и термочувствительный элемент 7, установленный соосно с осью 3 (фиг. 1) или перпендикулярно оси 3 (фиг. 2). Одним концом элемент 7 неподвижно крепится с помощью кронштейна 8 к каркасу 2, а другим закреплен на оси вращения рамы 3, например с помощью цанги.

Принцип работы основан на изменении жесткости термочувствительного элемента 7 при изменении температуры окружающей среды. При температуре 20^оС жесткость элемента 7 и величина груза 6 подобраны таким образом, что рама 1 находится в положении "закрыто". При повышении температуры жесткость элемента 7 начинает повышаться, и привод, преодолевая сопротивление груза 6, поворачивает раму 1 в положение "открыто". Положение "открыто" достигается при температуре 40^оС. Между 20-40^оС рама 1 занимает промежуточное положение, а полный угол поворота определяется соотношением жесткости элемента 7 и величиной груза 6. При понижении температуры жесткость элемента 7 понижается и рама 1 под действием груза 6 начинает поворачиваться плавно в направлении положении "закрыто". Угол поворота рамы закладывается при разработке конструкции исходя из характеристик термочувствительного элемента.

Использование: сельское хозяйство, а именно растениеводство в защищенном грунте. Сущность изобретения: устройство позволяет поддерживать температуру воздуха в теплице в требуемых пределах, повысить точность процесса регулирования этого параметра микроклимата внутреннего пространства теплицы и, следовательно, увеличить продуктивность выращиваемых растений. Устройство содержит поворотную раму, установленную с возможностью перемещения в вертикальной плоскости в каркасе, барабан трособлочной системы, расположенный на оси вращения рамы, проходящей через ее центр тяжести, и термочувствительный элемент, выполняющий роль привода поворота рамы и закрепленный на оси вращения рамы. При этом элемент выполнен из материала, обладающего эффектом памяти формы, на основе титаноникелевомедного сплава со следующим соотношением компанентов, мас. титан 44,9; никель 300,92 34,43; медь 10,64 14,15. 2 з. п. ф-лы, 3 ил. 1 табл.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА В ТЕПЛИЦЕ, содержащее поворотную раму с неподвижным корпусом, на оси вращения которой, проходящей через ее центр тяжести, установлен барабан трособлочной системы с уравновешивающим грузом, и связанный с осью вращения привод поворота рамы, выполненный в виде термочувствительного элемента из сплава, обладающего эффектом памяти формы, отличающееся тем, что в качестве сплава, обладающего эффектом памяти формы, использован титаноникелевомедный сплав со следующим соотношением компонентов, мас.

Титан 44,93
Никель 30,92 34,43
Медь 10,64 14,15
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что термочувствительный элемент выполнен в виде продолжения оси вращения поворотной рамы.