ГЕЛИОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ Российский патент 1997 года по МПК F24J2/42 

Изобретение относится к технике преобразования тепловой энергии в механическую и может найти применение в сельском хозяйстве, космической технике и других отраслях промышленности.

Известны гелиомеханические преобразователи энергии [1] содержащие вертикальную опору с горизонтальной вращающейся осью и радиально закрепленными на ней тепловоспринимающими элементами, каждый из которых имеет плоскость, заполненную терморасширяющейся средой, каждый элемент выполнен в виде герметично соединенных и сообщенных между собой сильфона со стержнем, связанным с осью. Недостатком известных гелиомеханических преобразователей является недостаточная эффективность преобразования энергии.

Наиболее близок по своей технической сущности к заявляемому изобретению тепловой двигатель [2] содержащий ротор, проходящий через зоны нагрева и охлаждения, установленный на неподвижном основании с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси и снабженный тепловыми рабочими элементами с прикрепленными к ним дебалансными грузами, расположенными на одинаковом расстоянии от оси вращения, ротор снабжен жесткими упорами, а его рабочие элементы закреплены между ними и установлены с прогибом в сторону от оси вращения.

Этот тепловой двигатель выбран в качестве прототипа. Недостаток прототипа заключается в недостаточной эффективности преобразования энергии и значительных размерах при относительно небольшой развиваемой мощности.

Задача изобретения заключается в устранении отмеченных недостатков в разработанной конструкции гелиомеханического преобразователя.

Задача достигается тем, что гелиомеханический преобразователь энергии содержит ротор, проходящий через зоны нагрева и охлаждения, установленный на неподвижном основании с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси и снабженный тепловыми рабочими элементами с прикрепленными к ним дебалансными грузами, расположенными на одинаковом расстоянии от оси вращения, ротор снабжен жесткими упорами, согласно изобретению дебалансные грузы выполнены полыми, размещены с возможностью осевого перемещения на плечах перекладины крестовины и связаны между собой, один из дебалансных грузов выполнен подпружиненным с размещением пружины между жестким упором и торцом дебалансного груза, на втором дебалансном грузе размещена зубчатая рейка, связанная с зубчатой шестерней, ось которой жестко связана с крестовиной, связанной с другой зубчатой шестерней большого диаметра, ось которой также жестко связана с крестовиной, входящей в зацепление с зубчатой рейкой, жестко связанной с тепловым рабочим элементом, жестко связанным с плечом крестовины и выполненным из металла с памятью формы, плечи крестовины ориентированы на Запад и Восток, гелиомеханический преобразователь снабжен отражателем, расположенным вертикально, жестко закрепленным на неподвижном основании и ориентированным на Юг.

Задача достигается также тем, что на наружном торце упора размещен с возможностью вращения стержень, связанный гибкой связью с дебалансным грузом.

Задача достигается также тем, что снаружи крестовины размещен чехол в виде чучела с расположением рукавов снаружи плеч перекладины и с отверстием в чехле, ориентированным на Юг и выполненным в месте установки теплового рабочего элемента.

На фиг. 1, 2 и 3 схематично изображен предлагаемый преобразователь.

Гелиомеханический преобразователь включает в себя неподвижное основание 1, на котором размещена ось вращения 2. Как вариант, ось вращения может быть выполнена в виде шара (как это показано на фиг. 1).

Масса шара выбрана таким образом, чтобы центр тяжести всей системы был расположен вблизи центра тяжести шара (принцип игрушки типа "Ванька-встанька").

Ротор преобразователя выполнен в виде крестовины, содержащей вертикальные стойки 3, 4 и горизонтальные плечи 5.

На плечах крестовины 5 размещены дебалансные грузы 6 на одинаковом расстоянии от стойки 3. Грузы 6 выполнены полыми и размещены с возможностью осевого перемещения вдоль плеч 5. На одном из дебалансных грузов 6 жестко закреплена зубчатая рейка 7, входящая в зацепление с зубчатой шестерней 8, которая в свою очередь входит в зацепление с зубчатой шестерней большего диаметра 9, могут вращаться на осях 10, установленных на опорах, связанных со стойкой 4 (на чертежах опоры осей 10 не показаны). Зубчатая шестерня 9 входит в зацепление с второй зубчатой рейкой 11, которая жестко закреплена на тепловом рабочем элементе 12, выполненном из металла с памятью формы.

Размещенный на втором плече 5 дебалансный груз 6 с помощью пружины 13 связан с жестким упором, выполненным на конце плеча 5. Дебалансные грузы 6 связаны друг с другом с помощью тяги 14, проходящей через отверстие 15, выполненное в стойке 3. Тяга 14 может быть выполнена в виде стержня, тросса, цепи и т.д. На конце плеча 5 размещен с возможностью вращения стержень 16, установленный на шарнире 17. Стержень 16 с помощью тросса 18 и шкива 19 связан с дебалансным грузом 6.

Перед крестовиной параллельно ей и с ориентацией на Юг размещен отражатель 20 (фиг. 2), укрепленный на стойке 21, которая жестко связана с основанием 1. Отражатель 20 смещен от оси стойки 3 так, что при неработающем гелиомеханическом преобразователе тепловой рабочий элемент 12 не экранируется отражателем 20. Сам отражатель выполнен в виде пластины с малым коэффициентом поглощения лучистой энергии, например из металла с отполированной поверхностью.

Гелиомеханический преобразователь содержит также (фиг. 3) чехол 22, выполненный в виде чучела, в материале чехла 22 выполнено отверстие 23 напротив теплового рабочего элемента 12.

Работа гелиомеханического преобразователя энергии основана на использовании металлов с памятью формы. Технические решения, связанные с использованием металлов с памятью формы, известны. При достижении некоторой вполне определенной температуры элемент из металла с памятью формы принимает определенную наперед заданную геометрическую форму. При уменьшении температуры ниже определенной величины геометрическая форма элемента возвращается к первоначальной. Описанный процесс характеризуется малой инерционностью, высокой чувствительностью к изменению температуры и большим рабочим усилием. Элементы из металлов с памятью формы выдерживают несколько миллионов рабочих циклов без видимых отклонений от заданных геометрических параметров. Температура, при которой происходит восстановление формы элемента, зависит от свойств металла с памятью, а конкретнее от состава компонентов, входящих в сплав. Например, у никелида титана Т46Н54 начало восстановления формы происходит при температуре 75^oC, а у никелида титана Т45Н55 при 35^oC. Линейные размеры элементов, выполненных из металлов с памятью формы, могут меняться на 15%
Гелиомеханический преобразователь энергии работает следующим образом. Как только лучи солнца нагревают тепловой рабочий элемент 12 до температуры, равной температуре перехода металла с памятью из одной геометрической формы в другую, элемент "вспоминает" свою первоначальную форму и увеличивается в размерах, при этом перемещается жестко связанная с элементом 12 зубчатая рейка 11. Так как рейка 11 находится в зацеплении с зубчатой шестерней 9, то эта шестерня поворачивается вокруг оси 10 на определенный угол. Связанная с шестерней 9 зубчатая шестерня меньшего диаметра 8 повернется в этом случае на большой угол. Поворот зубчатой шестерни 8 вызывает перемещение связанной с ней зубчатой рейки 7, что вызывает перемещение дебалансного груза 6 вдоль плеча 5. При этом центр тяжести дебалансного груза смещается в сторону от стойки 3. Так как оба дебалансные груза связаны тягой 14, то перемещается вдоль плеча и второй подпружиненный дебалансный груз, но этот груз перемещается уже вдоль плеча к стойке 3. В результате смещения грузов 6 смещается центр тяжести гелиомеханического преобразователя и стойка 3 отклоняется от первоначального положения на угол α. При отклонении на угол a рабочий элемент 12 экранируется отражателем 20, солнечные лучи не попадают на рабочий элемент 12 и через некоторое время его температура уменьшается (становится равной температуре окружающей среды). Как только температура рабочего элемента 12 станет меньше температуры перехода из одной геометрической формы в другую, металл "вспоминает" прежнюю форму, элемент 12 уменьшается в размере, в результате чего оба дебалансные груза смещаются вдоль плеч 5 и возвращаются в первоначальное положение. При этом изменяется центр тяжести гелиомеханического преобразователя и стойка 3 возвращается в первоначальное положение. Опять рабочий элемент 12 освещается солнечными лучами, прогревается и далее все вышеописанное повторяется.

Работа гелиомеханического преобразователя будет осуществляться в течение времени, когда лучи солнца смогут нагревать элемент 12 до температуры большей, чем температура перехода металла с памятью формы из одной формы в другую. Если гелиомеханический преобразователь установить на освещенной стороне Луны, то он будет работать постоянно.

Гелиомеханический преобразователь может работать также следующим образом.

При смещении дебалансных грузов 6 стержень 16 будет также совершать колебательные движения, вращаясь в ту или иную сторону вокруг оси шарнира 17, так как стержень 16 и груз 6 связаны троссом 18. При возвращении дебалансных грузов 6 в первоначальное положение стержень 16 смещается в первоначальное положение за счет силы тяжести. Система отбора механической энергии от гелиомеханического преобразователя в материалах заявки не рассматривается.

Гелиомеханический преобразователь может работать также следующим образом.

Если снаружи крестовины разместить чехол в виде чучела (может быть размещен чехол в виде сказочного персонажа, муляжи различных существ) и в чехле напротив места установки теплового элемента 12 выполнено ориентированное на Юг отверстие, то при освещении солнечными лучами теплового элемента 12 работа гелиомеханического преобразователя будет происходить так же, как это описано выше. При этом будет происходить периодическое покачивание чехла и подсоединенных к нему элементов-носителей информации (флажки, колокольчики и т. д. ). Это создает или зрительный эффект (детские сады, игровые площадки), или эффект отпугивания птиц и зверей (эффект чучела).

Использование: в технике преобразования тепловой энергии в механическую, например в сельском хозяйстве, космической технике и других отраслях промышленности. Сущность: гелиомеханический преобразователь энергии содержит неподвижное основание, на котором размещена ось вращения. Ротор преобразователя выполнен в виде крестовины, содержащей вертикальные стойки и горизонтальные плечи. На плечах размещены дебалансные грузы, которые выполнены полыми и размещены с возможностью осевого перемещения вдоль плеч. На одном из дебалансных грузов жестко закреплена зубчатая рейка, входящая в зацепление с зубчатой шестерней, которая входит в зацепление с зубчатой шестерней большого диаметра. Шестерни размещены с возможностью вращения на осях, установленных на опорах, связанных со стойкой. Зубчатая шестерня входит в зацепление с второй зубчатой рейкой, жестко закрепленной на тепловом рабочем элементе, выполненном из металла с памятью формы. Размещенный на втором плече дебалансный груз с помощью пружины связан с жестким упором, выполненным на конце плеча. Дебалансные грузы связаны друг с другом с помощью тяги, проходящей через отверстие, выполненное в стойке. На конце плеча размещен с возможностью вращения стержень, установленный на шарнире. Стержень с помощью троса и шкива связан с дебалансным грузом. Перед крестовиной параллельно ей и с ориентацией на юг размещен отражатель, укрепленный на стойке, жестко связанной с основанием. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Гелиомеханический преобразователь энергии, содержащий ротор, проходящий через зоны нагрева и охлаждения, установленный на неподвижном основании с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси и снабженный тепловыми рабочими элементами с прикрепленными к ним дебалансными грузами, расположенными на одинаковом расстоянии от оси вращения, ротор снабжен жесткими упорами, отличающийся тем, что дебалансные грузы выполнены полыми, размещены с возможностью осевого перемещения на плечах перекладины крестовины и связаны между собой, один из дебалансных грузов выполнен подпружиненными с размещением пружины между жестким упором и торцом дебалансного груза, на другом дебалансном грузе размещена зубчатая рейка, связанная с зубчатой шестерней, ось которой жестко связана с крестовиной, связанной с другой зубчатой шестерней большего диаметра, ось которой также жестко связана с крестовиной, входящей в зацепление с зубчатой рейкой, жестко связанной с тепловым рабочим элементом, жестко связанным с плечом крестовины и выполненным из металла с памятью формы, плечи крестовины ориентированы на запад и восток, причем гелиомеханический преобразователь снабжен отражателем, расположенным вертикально и жестко закрепленным на неподвижном основании и ориентированным на юг. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что на наружном торце упора размещен с возможностью вращения стержень, связанный гибкой связью с дебалансным грузом. 3. Преобразователь по пп.1 2, отличающийся тем, что снаружи крестовины размещен чехол в виде чучела с расположением рукавов снаружи плеч перекладины и с отверстием в чехле, ориентированным на юг и выполненным в месте установки теплового рабочего элемента.