ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТЕПЛОМЕХАНИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ-ГЕНЕРАТОР Российский патент 2004 года по МПК H02N2/10 

Предлагаемое изобретение относится одновременно к тепломеханическим двигателям, работающим при малом температурном градиенте, и пьезоэлектрическим генераторам. Пьезоэлектрический тепломеханический двигатель-генератор сочетает свойства тепломеханического двигателя и пьезоэлектрического генератора. Может быть использован во всех областях народного хозяйства.

Известен пьезоэлектрический генератор, содержащий пьезоэлектрический элемент с электродами, работающий на изгиб (см. книгу В.В. Лавриненко, И.А. Карташева, B.C. Вишневского. Пьезоэлектрические двигатели. М.: Энергия, 1980 г., стр. 102-103).

Известный пьезоэлектрический генератор преобразует приложенную к ротору механическую энергию в электрическую, однако его конструкция не дозволяет осуществлять непосредственное преобразование энергии гравитационного поля в электрическую.

Известен тепломеханический двигатель, содержащий проходящие через зоны нагрева и охлаждения колесо с радиально расположенными изогнутыми биметаллическими элементами с массами на свободных концах (патент СССР 19407, кл. F 03 G 7/00, 1929 г.).

Известная конструкция двигателя не позволяет непосредственно преобразовывать энергию гравитационного поля в механическую энергию без внешних источников тепловой энергии.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является тепломеханический двигатель, содержащий частично погруженное в резервуар с горячей водой колесо с валом и радиально расположенными нитиноловыми элементами, обладающими эффектом памяти формы (SU 1094984 А, МПК 7 F 03 G 7/06, опубл. 30.05.1984 г. - прототип).

Известная конструкция двигателя не позволяет непосредственно преобразовывать энергию гравитационного поля в механическую энергию без внешних источников тепловой энергии.

Задача предлагаемого изобретения заключается в расширении эксплуатационных и функциональных возможностей путем непосредственного преобразования энергии гравитационного поля в электрическую и механическую энергию.

Технический результат достигается тем, что пьезоэлектрический тепломеханический двигатель-генератор, содержащий вал, установленный в опорах с возможностью вращения, и радиально расположенные нитиноловые элементы, обладающие эффектом памяти формы и соединенные с массами, на которые воздействует гравитационное поле, снабжен пьезоэлектрическими элементами с электродами, электроды электрически соединены через выключатель с концами нитиноловых элементов, а массы воздействуют через рычаги на пьезоэлектрические элементы и периодически деформируют их.

Наличие отличительных признаков обусловливает соответствие заявляемого технического решения критерию "новизна".

Заявляемое техническое решение соответствует также критерию "изобретательский уровень", поскольку не обнаружено решений с признаками, отличающими заявляемое техническое решение от прототипа, и критерию "промышленная применимость".

Возможность достижения технического результата подтверждается нижеследующими теоретическими выводами: нагревание нитиноловых элементов возможно не только путем контакта их с нагретой жидкостью или газом, но и пропусканием по ним электрического тока (см. а.с. 612784, a.c. 598773, a.с. 700888, a.c. 817143). При деформации пьезоэлектрических элементов, которая возникает в результате воздействия на них силы веса массы, в цепи, соединяющей электроды пьезоэлемента, в момент замыкания ее выключателем возникает импульс тока (см. книгу С.П. Калашникова. Электричество. М.: Наука, 1977 г., стр.97-104, рис. 72, 74, 75). Следовательно, если создать условия, при которых будет возникать периодическая деформация пьезоэлементов, а по нитиноловым элементам периодически будет протекать ток, который их будет периодически нагревать, то в результате изменения размеров нитиноловых элементов возникнет дисбаланс масс. Если же при этом создать условия, при которых ток будет периодически протекать в нитиноловых элементах, расположенных с одной стороны от вертикальной оси симметрии, и в тот же самый момент времени не будет тока в нитиноловых элементах, расположенных с другой стороны от вертикальной оси симметрии, то вал двигателя придет во вращение под воздействием постоянно поддерживающегося дисбаланса масс.

Периодическую деформацию пьезоэлементов можно создать, если привести внешним толчком двигатель во вращение, при этом пьезоэлементы будут работать преимущественно на изгиб. Пьезоэлемент, работающий на изгиб, описан в книге С.Г. Калашникова. Электричество. М.: Наука, 1977 г., на стр.104, рис.75.

Условия, при которых ток будет периодически протекать в нитиноловых элементах, расположенных с одной стороны от вертикальной оси симметрии, и в тот же самый момент времени не будет тока в нитиноловых элементах, расположенных с другой стороны от вертикальной оси симметрии, можно создать конструктивно различными способами.

На чертеже схематично представлен общий вид пьезоэлектрического тепломеханического двигателя-генератора (промежуточные элементы конструкции не показаны).

Массы 1 закреплены на нитиноловых элементах 2, обладающих эффектом памяти формы. Нитиноловые элементы 2 закреплены на рычагах 3, которые шарнирно установлены на диске 4 с одной степенью свободы в вертикальной плоскости. Шарнирное соединение обозначено позицией 5. Рычаги 3 с одной стороны зафиксированны упорами 6, которые неподвижно закреплены на диске 4 и ограничивают движение (поворот) рычагов 3 против часовой стрелки. На диске 4 неподвижно закреплены пьезоэлементы 7 с электродами (на чертеже электроды не показаны). Электроды пьезоэлементов 7 электрически соединены проводником (проводом) 8 с концами нитиноловых элементов 2. Нитиноловые элементы 2 электрически изолированы от рычагов 3 и масс 1. Между пьезоэлектрическими элементами 7 и рычагами 3 установлены диэлектрические прокладки 9. Диск 4 выполнен из диэлектрического материала и установлен на валу 10. На диске 4 установлены по окружности концевые выключатели 11, а на опоре 12 установлены замыкающий сектор 13 и замыкающий сектор 14. Проводники 8 разомкнуты концевыми выключателями 11 (на чертеже условно-схематично изображен один концевой выключатель 11). Замыкающий сектор 13 установлен по вертикальной оси симметрии (на входе в правый верхний квадрант координатной плоскости). Замыкающий сектор 14 установлен по горизонтальной оси симметрии (на выходе из правого верхнего квадранта координатной плоскости). Замыкающие сектора 13 и 14 прикреплены к опоре 12 на таком расстоянии от плоскости диска 4, что обеспечивают замыкание концевых выключателей 11 при их входе в зону расположения замыкающих секторов. Все концевые выключатели 11 установлены на диске 4 строго под соответствующими им пьезоэлементами 7 (на чертеже виден только один выключатель).

Для того чтобы двигатель начал работать, ему надо сообщить толчок внешней силой. В начальный момент движения пьезоэлемент 7, находящийся в крайнем верхнем положении, не испытывает изгибающих нагрузок и его электроды не заряжены. После начала движения (по часовой стрелке, как указано на чертеже) соответствующий этому пьезоэлементу концевой выключатель 11 выйдет из зацепления с замыкающим сектором 13 и будет находиться в выключенном состоянии, т. е. электроды пьезоэлемента будут разомкнуты. По мере дальнейшего движения по окружности этот пьезоэлемент будет испытывать все возрастающий изгибающий момент от воздействия массы 1, который передается на пьезоэлемент через нитиноловый элемент 2 и рычаг 3. В результате этого воздействия возникнет соответствующая ему деформация пьезоэлемента, а в результате деформации пьезоэлемента на его электродах появится разность потенциалов. При входе этого пьезоэлемента и соответствующего ему концевого выключателя в зону расположения замыкающего сектора 14 концевой выключатель включится (замкнет электроды пьезоэлемента через проводник 8) и по нитиноловому элементу 2 пройдет импульс тока, который его нагреет. В результате нагрева нитиноловый элемент 2 изменит свои размеры (выпрямится и увеличит свою габаритную длину) и переместит закрепленную на нем массу 1, что создаст общий дисбаланс масс, который будет поддерживать вращение двигателя.

При выходе пьезоэлемента 7 и соответствующего ему концевого выключателя 11 из зоны расположения замыкающего сектора 14 концевой выключатель выключится (разорвет цепь) и на электродах останутся индуцированные заряды. При дальнейшем повороте на 270^o нитиноловый элемент 2 будет охлаждаться окружающим воздухом и снова изменит свои размеры в противоположном направлении (примет ту форму и размеры, которые он имел до нагрева), поддерживая тем самым общий дисбаланс масс. При вхождении в зону замыкающего сектора 13 концевой выключатель 11 снова включится (замкнет цепь) и по нитиноловому элементу 2 пройдет импульс тока разряда, который снова его нагреет. Дальше процесс повторится и в результате постоянно поддерживающегося дисбаланса масс двигатель будет вращаться со скоростью, при которой нитиноловые элементы будут успевать охлаждаться.

Пьезоэлектрический тепломеханический двигатель-генератор относится к тепломеханическим двигателям, работающим при малом температурном градиенте, и пьезоэлектрическим генераторам. Для непосредственного преобразования энергии гравитационного поля в электрическую и механическую энергию пьезоэлектрический тепломеханический двигатель-генератор, содержащий вал, установленный в опорах с возможностью вращения, и радиально расположенные нитиноловые элементы, обладающие эффектом памяти формы и соединенные с массами, на которые воздействует гравитационное поле, дополнительно снабжен пьезоэлектрическими элементами с электродами, электроды соединены через выключатель с концами нитиноловых элементов, а массы воздействуют через рычаги на пьезоэлектрические элементы и периодически деформируют их. Технический результат - расширение эксплуатационных и функциональных возможностей путем непосредственного преобразования энергии гравитационного поля в электрическую и механическую энергию. 1 ил.

Пьезоэлектрический тепломеханический двигатель-генератор, содержащий вал, установленный в опорах с возможностью вращения, и радиально расположенные нитиноловые элементы, обладающие эффектом памяти формы и соединенные с массами, на которые воздействует гравитационное поле, отличающийся тем, что он снабжен пьезоэлектрическими элементами с электродами, электроды электрически соединены через выключатель с концами нитиноловых элементов, а массы воздействуют через рычаги на пьезоэлектрические элементы и периодически деформируют их.