ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИБОР ВРЕМЕНИ, СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ, ПРИВОДЯЩЕЙ В ДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИБОР ВРЕМЕНИ Российский патент 2015 года по МПК G04C10/00 

Область техники

Изобретение относится к области часовой промышленности и может быть использовано при производстве электрических приборов времени с возможностью получения энергии для функционирования часового механизма от разности температур различных областей пространства.

Уровень техники

Явления, связанные с электричеством, были замечены в древнем Китае, Индии и древней Греции за несколько столетий до начала нашей эры. Около 600 года до н.э., как гласят сохранившиеся предания, древнегреческому философу Фалесу Милетскому было известно свойство янтаря, натертого о шерсть, притягивать легкие предметы. Словом "электрон" древние греки называли янтарь. От него же пошло и слово "электричество". В 1600 году придворный врач английской королевы Елизаветы Уильям Гилберт с помощью своего электроскопа доказал, что способность притягивать легкие тела имеет не только натертый янтарь, но и другие минералы: алмаз, сапфир, опал, аметист и др. В этом же году он издает труд "О магните и магнитных телах", где изложил целый свод знаний о магнетизме и электричестве. Через 50 лет, в 1650 году немецкий ученый и по совместительству бургомистр Магдебурга Отто фон Герике создает первую "электрическую машину". Она представляла собой шар, отлитый из серы, при вращении и натирании которой, притягивались и отталкивались легкие тела. Впоследствии его машину усовершенствовали немецкие и французские ученые.

В 1729 году англичанин Стивен Грей обнаружил способность некоторых веществ, проводить электричество. Он, по сути, впервые ввел понятие проводников и непроводников электричества.

В 1733 году французский физик Шарль Франсуа Дюфе обнаружил два вида электричества: "смоляное" и "стеклянное". Одно возникает в янтаре, шелке, бумаге; второе - в стекле, драгоценных камнях, шерсти.

В 1745 году голландский физик и математик Лейденского университета Питер ван Мушенбрук обнаружил, что стеклянная банка, оклеенная оловянной фольгой, способна накапливать электричество. Мушенбрук назвал ее лейденская банка. Это, по сути, был первый электрический конденсатор.

В 1747 году член Парижской Академии наук физик Жан Антуан Нолле изобрел электроскоп - первый прибор для оценки электрического потенциала. Также он сформулировал теорию действия электричества на живые организмы и выявил свойство электричества "стекать" быстрее с более острых тел.

В 1747-1753 гг. американский ученый и государственный деятель Бенджамин Франклин провел ряд исследований и сопутствующих им открытий. Ввел используемое до сих пор понятие двух заряженных состояний: «+» и «-». Объяснил действие лейденской банки, установив определяющую роль диэлектрика между проводящими обкладками. Установил электрическую природу молнии. Предложил идею молниеотвода, установив, что металлические острия, соединенные с землей, снимают электрические заряды с заряженных тел. Выдвинул идею электрического двигателя. Впервые применил для зажигания пороха электрическую искру.

В 1785-1789 гг. французский физик Шарль Огюстен Кулон публикует ряд работ о взаимодействии электрических зарядов и магнитных полюсов. Проводит доказательство расположения электрических зарядов на поверхности проводника. Вводит понятия магнитного момента и поляризации зарядов.

В 1795 году другой итальянский ученый Алессандро Вольта, исследуя обнаруженный предшественником эффект, доказал, что электрический ток возникает между парой разнородных металлов разделенных специальной проводящей жидкостью.

В 1801 году русский ученый Василий Владимирович Петров установил возможность практического использования электрического тока для нагрева проводников, наблюдал явление электрической дуги в вакууме и различных газах. Выдвинул идею использования тока для освещения и плавки металлов.

В 1820 году датский физик Ханс Христиан Эрстэд установил связь между электричеством и магнетизмом, что заложило основы формирования современной электротехники. В этом же году французский физик Андре Мари Ампер сформулировал правило определения направления действия электрического тока на магнитное поле. Он впервые объединил электричество и магнетизм и сформулировал законы взаимодействия электрических и магнитных полей.

В 1827 году немецкий ученый Георг Симон Ом открыл свой закон (закон Ома) - один из фундаментальных законов электричества, устанавливающий зависимость между силой тока и напряжением.

В 1831 году английский физик Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции, что приводит к формированию новой отрасли промышленности - электротехники.

В 1847 году немецкий физик Густав Роберт Кирхгоф сформулировал законы для токов и напряжений в электрических цепях.

Конец XIX - начало XX веков был полон открытий связанных с электричеством. Одно открытие порождало целую цепь открытий в течение нескольких десятилетий. Электричество из предмета исследования начало превращаться в предмет потребления. Началось его широкое внедрение в различные области производства. Были изобретены и созданы электрические двигатели, генераторы, телефон, телеграф, радио [1].

Электричество нашло применение и в часовой промышленности, в частности использования как источника приведения в действия часового механизма.

До глубокого изучения человечеством такого явления как электричество основным источником энергии движения часового механизма служила спиральная пружина, расположенная в барабане с зубчатым краем. При заводке часов пружина закручивается, а при раскручивании пружина приводит в движение барабан, вращение которого приводит в действие весь часовой механизм.

Главным недостатком пружинного двигателя является неравномерность скорости раскручивания пружины, что приводит к неточности хода часов. Также работа спиральной пружины зависит от множества факторов, таких как окружающая температура, положение часов, износ деталей и другие. Поэтому для механических часов считается нормой расхождение с точным временем на -20/+60 секунд в сутки, а лучшим результатом - 4-5 секунд в сутки.

Но со знакомством с электричеством и применения его в часовой промышленности появляются кварцевые часы. В то время как история существования механических часов насчитывает более 1000 лет, то история кварцевых часов насчитывает всего лишь чуть более 40 лет.

В кварцевых часах источником энергии служит батарейка, которая питает часовой механизм, включающий в себя электронный блок кварцевых часов и шаговый электродвигатель [2]. Электронный блок один раз в секунду посылает импульс двигателю, а тот в свою очередь поворачивает стрелки. Очень высокую стабильность частоты вырабатываемых импульсов и, следовательно, высокую точность хода (в среднем расхождение с точным временем составляет 15-25 секунд в месяц, а лучшие кварцевые часы показывают отклонение 5 секунд в год) обеспечивает кристалл кварца, из-за которого часы и получили свое название. Кроме того, батарейка рассчитана на несколько лет работы, соответственно кварцевые часы не нуждаются в заводе каждый день.

Кварцевые часы помимо альтернативной стрелочной индикации времени имеют электронную цифровую индикацию. Цифровая индикация времени может выполняться как на жидкокристаллическом экране, так и при помощи светодиодов.

Помимо функции определения времени, кварцевые часы имеют и дополнительные функции, такие как будильник, секундомер, таймер, календарь, музыкальные сигнал, а некоторые современные кварцевые часы могут иметь и программные обеспечения, радио, видео- и аудиопроигрыватели и т.п.

Но кварцевые часы имеют существенный недостаток, который заключается в снижении точности хода часов, которая определяется стабильностью работы кварцевого резонатора. Дестабилизирующим фактором для кварцевых резонаторов является воздействие температуры окружающей среды. При изменении температуры среды изменяются линейные размеры кристаллической пластины, упругие, пьезоэлектрические и диэлектрические постоянные материала, возникают напряжения и деформации в элементах конструкции. Все это приводит к изменению резонансной частоты прибора.

Также стабильность частоты в схеме камертонного генератора определяется в первую очередь стабильностью собственной частоты камертона. На частоту колебаний камертона влияет как температурный режим, так и атмосферное давление. С целью уменьшения температурных зависимостей камертон изготавливают из сплавов, обладающих очень низким температурным коэффициентом частоты.

Таким образом, влияние температуры среды на точность хода часов одна из основных проблем в часовой индустрии на сегодняшний день.

Кроме этого недостатком всех известных электрических приборов времени (кварцевых, камертонных, атомных и пр.) является разрядка с течением времени источников питания. Тем самым снижается автономность работы часового механизма.

Для решения проблемы увеличения автономности работы часового механизма используются различные источники подзарядки аккумуляторов.

Так известны часы японской компании Citizen, работающие от солнечного света и других источников света (технологию Eco-Drive) [3]. Циферблат часов является фотоэлементом, вырабатывающим электричество для кварцевого механизма. Вместо батарейки - аккумулятор, способный накапливать энергию, когда фотоэлемент освещен. Кроме этого известны часы компании RICOH, работающие от электромагнитной индуктивной системы зарядки часов. Для пополнения запаса энергии батарейки достаточно на некоторое время положить часы на зарядное устройство, работающее от обычной электросети. Пяти минут зарядки достаточно для работы в течение полного дня, а если оставить часы на зарядном устройстве на всю ночь, то после этого они смогут работать 3-4 месяца.

Также известны часы компании SEIKO работающие от кинетической зарядки аккумулятора часов [4]. Кинетическая энергия от движения руки видоизменяется на электрическую, которая питает батарею. Такой механизм является сплавом Кварцевых и механических часов с автоподзаводом. От движения руки груз, похожий на используемый в часах с автоподзаводом, двигается по кругу вокруг оси и по системе зубчатых колес приводит в движение ротор генератора. Электричество, вырабатываемое генератором, подзаряжает накопитель энергии - конденсатор.

Наиболее близким решением к заявляемому электрическому прибору времени являются часы Thermic компании SEIKO [5]. Заряд аккумулятора осуществляется при помощи тока, который возникает в замкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах. Принцип работы основан на эффекте Зеебека. Таким образом, часы заряжаются от разности температур руки человеческого тела и окружающей среды. Когда часы носятся на запястье, часы поглощает тепло тела от задней крышки и рассеивает его от передней части часов для выработки электроэнергии с термопреобразователя. Мощность генерируемой энергии зависит от температуры воздуха и температуре тела. С ростом разницы между температурой воздуха и температурой поверхности руки увеличивается и производительность энергии.

Недостатком данных часов является то, что с уменьшением разницы между температурой воздуха и температурой поверхности руки, эффективность производства электроэнергии также будет уменьшаться. Если температура воздуха равна или выше, чем температура поверхности руки, часы перестают вырабатывать электроэнергию из-за невозможности использования энергии разности температур.

Таким образом, на сегодняшний день не известны технические решения, в которых:

- увеличивается автономность работы часового механизма, которое достигается за счет обеспечения бесперебойного, постоянного стабильного напряжения питания часового механизма, которое достигается при использовании устройства преобразования тепловой энергии в механическую для получения электроэнергии для функционирования электрических приборов времени, работающих на основе замкнутого термодинамического цикла, в которой циклические процессы сжатия и расширения происходят при различных уровнях температур, а управление потоком рабочего тела осуществляется путем изменения его объема;

- обеспечивается увеличение точности хода электрических приборов времени, работающих на осцилляторах с распределенными параметрами, которое достигается за счет снижение температурного воздействия окружающей среды на осциллятор (кварцевый резонатор, камертон и пр.).

Задача и технический результат

Задача предлагаемого изобретения состоит в разработке и практической реализации конструкции электрических приборов времени, выполненных с возможностью получения электрической энергии необходимой для их работы от разности температур различных областей пространства.

Техническим результатом, получаемым при использовании изобретения, является повышение точности хода электрических приборов времени, увеличение автономности работы прибора времени. Кроме этого техническим результатом изобретения является получение электрической энергии для функционирования электрических приборов времени, в частности, для автоматической зарядки аккумулятора при отсутствии внешнего воздействия пользователя посредством преобразования тепловой энергии, т.е. использования разности температур различных областей пространства. Кроме этого техническим результатом изобретения также является повышение надежности и долговечности за счет исключения возникновения перенапряжений или возникновения недостаточного напряжения питания в электрических приборах времени за счет использования устройства преобразования тепловой энергии в механическую для получения электроэнергии, основанного на использовании теплового двигателя. Кроме этого изобретение обеспечивает достижение технического результата, который заключается в получении энергии для функционирования электрических приборов времени, в частности для зарядки аккумулятора, а так же использование полученной энергии для функционирования вспомогательных объектов.

Сущность изобретения

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат при использовании изобретения достигается тем, что устройство преобразования тепловой энергии в механическую для получения электроэнергии для функционирования электрических приборов времени содержит тепловой двигатель, выполненный с возможностью преобразования разницы температур в двух разных точках пространства либо на поверхностях, либо на поверхности и пространстве в механическое движение, передающееся на генератор, вырабатывающий электрический ток. При этом тепловой двигатель выполнен в виде теплового двигателя Стирлинга гамма-типа, роторного типа или свободно-поршневого типа.

Устройство преобразования тепловой энергии в механическую для получения электроэнергии для функционирования электрических приборов времени может быть выполнено с возможностью постоянной выработки энергии для функционирования часов и/или зарядки аккумулятора часов;

применения механического генератора (пружинный двигатель) и автоматического его завода или подзавода;

прямой подачи энергии на часовой механизм;

подачи энергии на химический аккумулятор и последующей подачи с него на блок кварцевого генератора;

использования в качестве охладителя боковых сторон корпуса часов или стороны циферблата, а качестве теплоприемника (нагревателя) заднюю часть часов или заднюю крышку или части задней крышки корпуса часов с расположенным между ними теплоизоляционным материалом с низким коэффициентом теплопроводности;

использование в качестве охладителя заднюю часть часов, которая может контактировать с пространством или поверхностью где температура ниже чем температура поверхности или пространства контактирующего с передней (лицевой) поверхностью часов, то есть охладитель задняя часть, а нагреватель передняя часть часов;

использования в качестве охладителя механизма часов, движущихся деталей механизма часов;

использования в качестве охладителя ребер, канавок или дополнительных элементов охлаждения на корпусе часов;

использование в качестве охладителя контактирующую поверхность или пространство;

использования в качестве нагревателя контактирующего с поверхностью или пространством с более высоким показателем температуры, задней части часов, выполненной из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, например из алюминия, сплавов алюминия, меди, медного сплава, серебра, сплава серебра или сплавов золота;

использования в качестве нагревателя контактирующего с поверхностью или пространством с более высоким показателем температуры, задней части часов, выполненной эргономичной формы;

использования в качестве нагревателя контактирующего с поверхностью или пространством с более высоким показателем температуры, переднюю (лицевую) части часов, выполненной из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, например из алюминия, сплавов алюминия, меди, медного сплава, серебра, сплава серебра или сплавов золота;

использования в качестве нагревателя контактирующего с поверхностью или пространством с более высоким показателем температуры, передней части часов, выполненной эргономичной формы;

нагревание от естественного источника тепла, такого как тепло тела человека или Солнце, или с возможностью создания разницы температур с использованием энергии Солнца;

нагревания от тепла человеческой руки;

тепловой двигатель выполнен с механизмом принудительного начального запуска;

нагревание с использованием тепла, выделяемого искусственными источниками, например, электроникой, источниками света, нагревательными системами, отопительными системами и т.п.;

охлаждение теплового двигателя возможно от поверхности, например, такой как стекло, стена, или от окружающей среды;

использования в качестве рабочего тела газа - воздуха, водорода, гелия, паров ацетона, спирта или иного химического соединения.

Поставленная задача решается, а требуемый результат при использовании изобретения достигается также тем, что электрический прибор времени содержит аккумулятор, часовой механизм, индикатор времени и устройство, преобразующее один вид энергии в другой. При этом часовой механизм приводится в действие электрическим током, а устройство, преобразующее один вид энергии в другой выполнено в виде описанного выше устройства преобразования тепловой энергии в механическую для получения электроэнергии для функционирования электрических приборов времени. При этом устройство преобразования тепловой энергии в механическую для получения электроэнергии содержит тепловой двигатель, выполненный с возможностью преобразования разницы температур в двух разных точках пространства либо на поверхностях, либо на поверхности и пространстве в механическое движение, передающееся на генератор, вырабатывающий электрический ток. При этом тепловой двигатель может быть выполнен в виде теплового двигателя Стирлинга гамма-типа, роторного типа или свободно-поршневого типа.

При этом осциллятор с распределенными параметрами выполнен в виде камертонного осциллятора.

При этом осциллятор с распределенными параметрами выполнен в виде кварцевого осциллятора.

При этом осциллятор с распределенными параметрами выполнен в виде квантово-механического осциллятора - мазера.

При этом электрические приборы времени могут иметь стрелочный индикатор времени, жидкокристаллический индикатор времени и светодиодный индикатор времени.

При этом электрические приборы времени могут быть оснащены вспомогательными объектами, такими как будильник, секундомер, таймер, радио, фонарик, программное обеспечение и т.п.

Поставленная задача решается, а требуемый результат при использовании изобретения достигается также тем, что в способе преобразования тепловой энергии в механическую для получения электроэнергии для функционирования электрических приборов времени используют тепловой двигатель, выполненный с возможностью преобразования разницы температур в двух разных точках пространства либо на поверхностях, либо на поверхности и пространстве в механическое движение, передающееся на генератор, вырабатывающий электрический ток. При этом двигатель может быть выполнен в виде теплового двигателя Стирлинга гамма-типа, роторного типа или свободно-поршневого типа. При этом он также выполнен с возможностью обеспечения

передачи вращения генератору,

передачи вращения генератору через редуктор,

передачи вращения генератору через механический генератор.

При этом в качестве охладителя (или теплоприемника) теплового двигателя используют переднюю часть часов (куда входят боковые стороны корпуса часов, сторону циферблата или экран) а в качестве теплоприемника (охладителя) используют заднюю часть часов (куда включают заднюю крышку или часть задней крышки корпуса часов с расположенным между ними теплоизоляционным материалом с низким коэффициентом теплопроводности).

Для интенсификации охлаждения теплового двигателя на корпусе часов могут быть выполнены ребра, канавки или дополнительные элементы охлаждения.

Для интенсификации охлаждения теплового двигателя колесная система часовой механизм может быть выполнен со вспомогательными винтами.

Для интенсификации охлаждения теплового двигателя корпус может быть оснащен кулерами.

Для интенсификации нагревания теплового двигателя контактирующего с поверхностью или пространством где температура выше или ниже, корпус часов часть может быть выполнен из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, например из алюминия, сплавов алюминия, меди, медного сплава, серебра, сплава серебра или сплавов золота или часть корпуса часов может быть выполнена эргономичной формы.

При этом тепловой двигатель выполняют с возможностью нагревания от естественного источника тепла, такого как тепло тела человека или Солнце, или иного источника внешнего тепла.

Тепловой двигатель выполняют с возможностью нагревания от тепла человеческой руки.

Тепловой двигатель также может быть выполнен с возможностью использования тепла выделяемого электроникой, источниками света, нагревательными системами, отопительными системами и т.п.

Кроме этого тепловой двигатель может быть выполнен с возможностью охлаждения от поверхности, например, таких как стекло, стена, или от окружающей среды.

При этом тепловой двигатель выполнен с возможностью использования в качестве рабочего тела газа - воздуха, водорода, гелия, паров ацетона, спирта или иного химического соединения.

Основные термины и определения

В настоящей заявке используются термины и определения, имеющие следующее значение.

Теплообменник - это основная часть теплового двигателя Стирлинга, предназначенная для передачи температуры от среды с более высокой температурой к среде с более низкой температурой.

Кривошипно-шатунный механизм - устройство, позволяющее преобразовать возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение вала.

Вытеснитель, дисплейсер - один из поршней двигателя Стирлинга, работающий в условиях высоких перепадов температур и низких перепадов давления; как правило, он имеет небольшую массу.

Нагреватель - теплообменник двигателя Стирлинга, в котором осуществляется процесс передачи теплоты от источника к рабочему телу двигателя.

Рабочий поршень - один из поршней двигателя Стирлинга, работающий в условиях высоких перепадов давления и низких перепадов температур.

Цикл Стирлинга - идеализированный термодинамический цикл, состоящий из двух изотермических процессов сжатия и расширения и двух изохорических регенеративных процессов.

Рабочее тело - газ, жидкость или пар, которые периодически сжимаются или расширяются при соответствующих температурах в рабочей плоскости двигателя Стирлинга.

Спусковой регулятор - спусковым регулятором часового механизма называется устройство, состоящее из осциллятора, совершающего равномерные колебания и спуска, преобразующего колебания в интервалы времени исполнительного устройства, при этом поступление энергии на осциллятор для поддержания его колебания регулируется тем же спуском.

Зубчатая передача (основная колесная система) состоит из зубчатых колес, передает движение часовому механизму.

Механический аккумулятор (источник энергии, механический аккумулятор) необходим для аккумулирования энергии и приведения в действие и поддержания действия часового механизма. В основном в часах применяют пружинные и гиревые двигатели. Пружинный двигатель аккумулирует энергию завода часов.

Стрелочный механизм является исполнительным устройством, как правило, состоит из системы зубчатых колес и передает движение от основной колесной системы стрелкам.

Осциллятор - система, которая при смещении из положения равновесия испытывает действие возвращающей силы, пропорциональной смещению. В электрических часах осциллятором, как правило, является, камертон, струна, кварцевый резонатор, система баланс-спираль

Краткое описание чертежей

Сущность изобретения поясняется чертежами.

В предпочтительных, показанных на чертежах вариантах конструктивного исполнения устройства теплового двигателя Стирлинга для часов, часового механизма с двигателем Стирлинга и часов с двигателем Стирлинга имеются следующие конструктивные элементы:

1 - рабочий цилиндр,

2 - внутренняя область рабочего цилиндра,

3 - поршень рабочего цилиндра,

4 - нагреватель-теплосъемник,

5 - охладитель,

6 - теплообменный цилиндр,

7 - дисплейсер-вытеснитель,

8 - стенки теплообменного цилиндра,

9 - шток дисплейсера,

10 - втулка охладителя,

11 - маховик,

12 - кривошипный шарнир поршня теплообменника,

13 - кривошипный шарнир рабочего поршня,

14 - кривошипный шарнир теплообменного цилиндра,

15 - кривошип,

16 - шатун дисплейсера,

17 - шатун рабочего цилиндра,

18 - шарнир оси рабочего поршня,

19 - шток рабочего поршня,

20 - двигатель Стирлинга,

21 - передаточный механизм,

22 - редуктор,

23 - генератор,

24 - механический аккумулятор,

25 - химический аккумулятор,

26 - блок кварцевого генератора,

27 - шаговый двигатель,

28 - зубчатая передача,

29 - стрелочный механизм,

30 - стрелки,

31 - плата,

32 - жидкокристаллический индикатор,

33 - светодиодный индикатор,

34 - задающий кварцевый генератор,

35 - формирователь импульсов,

36 - делитель частот,

37 - формирователь выходных управляющих импульсов,

38 - усилитель выхода сигналов,

39 - устройство управления,

40 - счетчик секунд,

41 - счетчик минут,

42 - счетчик часов,

43 - счетчик календаря,

44 - дешифратор,

45 - регулятор камертон,

46 - ионный множитель,

47 - атомно-лучевая трубка,

48 - умножитель частоты,

49 - автоподстройка,

50 - делитель.

На фиг.1 показана структурно функциональная схема простейших кварцевых часов с тепловым двигателем Стирлинга, без аккумулятора энергии, на которой показаны тепловой двигатель Стирлинга, передаточный механизм, редуктор, генератор, электронный блок, шаговый двигатель, зубчатая передача, стрелочный механизм.

На фиг.2 показана структурно функциональная схема блока кварцевого генератора, на которой показаны электрохимический источник питания, задающий кварцевый генератор, формирователь пульсов, делитель частоты, формирователь выходных управляющих импульсов, усилитель выхода сигналов и выход на шаговый двигатель. Пунктирной линией выделен функциональный блок, присущий обычному стандартном блоку кварцевого генератора (электронный блок).

На фиг.3 показана структурно функциональная схема кварцевых часов с тепловым двигателем Стирлинга и механическим аккумулятором, на которой показаны тепловой двигатель Стирлинга, передаточный механизм, механический аккумулятор, редуктор, генератор, электронный блок, шаговый двигатель, зубчатая передача, стрелочный механизм.

На фиг.4 показана структурно функциональная схема кварцевых часов с тепловым двигателем Стирлинга и химическим аккумулятором, на которой показаны тепловой двигатель Стирлинга, передаточный механизм, механический аккумулятор, редуктор, генератор, химический аккумулятор, электронный блок, шаговый двигатель, зубчатая передача, стрелочный механизм.

На фиг.5 показана принципиальная схема электронных часов с цифровой индикацией, на которой показаны устройство управления, источник энергии, электронный юлок, счетчик секунд, счетчик минут, счетчик часов, счетчик календаря, дешифратор, цифровая индикация.

На фиг.6 показана структурно функциональная схема кварцевых часов с тепловым двигателем Стирлинга и регулятором, на которой показаны тепловой двигатель Стирлинга, передаточный механизм, механический аккумулятор, редуктор, генератор, регулятор (баланс или камертон), электронный блок, шаговый двигатель, зубчатая передача, стрелочный механизм.

На фиг.7 показана структурно функциональная схема камертонных часов, на котором показаны транзистор, резистор, конденсатор, камертон, магнитоприводы, установленные на концах камертона, толкатель, закрепленный на лапке камертона, и храповый механизм.

На фиг.8 показана принципиальная схема атомных часов, на которой показаны ионный множитель, атомно-лучевая трубка, автоподстройка, кварцевый генератор, умножитель частоты, делитель.

На фиг.9 показана конструкция теплового двигателя Стирлинга гамма-типа в возможной компоновке для использования в механизме часов, на которой показаны: рабочий цилиндр 1, внутренняя область рабочего цилиндра 2, поршень рабочего цилиндра 3, нагреватель-теплосъемник 4, охладитель 5, теплообменный цилиндр 6, дисплейсер-вытеснитель 7, стенки теплообменного цилиндра 8, шток дисплейсера 9, втулка охладителя 10, маховик 11, кривошипный шарнир поршня теплообменника 12, кривошипный шарнир рабочего поршня 13, кривошипный шарнир теплообменного цилиндра 14, кривошип 15, шатун дисплейсера 16, шатун рабочего цилиндра 17, шарнир оси рабочего поршня 18, шток рабочего поршня 19.

На фиг.10 показан 1-й такт работы двигателя Стирлинга гамма-типа - такт сжатия рабочего тела при постоянной температуре: дисплейсер 7 находится вблизи нижней мертвой точки (НМТ) и остается условно неподвижным. Газ сжимается рабочим поршнем 3 малого цилиндра 1. Давление газа возрастает, а температура остается постоянной, так как теплота сжатия отводится через холодный торец теплообменного цилиндра 5 в окружающую среду. Под условной неподвижностью в данном случае подразумевают малую высоту перемещения поршня при прохождении кривошипом расстояния вблизи верхней или нижней мертвой точки.

На фиг.11 показан 2-й такт работы двигателя Стирлинга гамма-типа - такт нагревания рабочего тела при постоянном объеме: рабочий поршень 3 рабочего цилиндра 1 находится вблизи НМТ и полностью перемещает холодный сжатый газ в теплообменный цилиндр 6, вытеснитель 7 которого движется к верхней мертвой точки (ВМТ) и вытесняет газ в горячую полость. Так как при этом суммарный внутренний объем цилиндров двигателя остается постоянным, рабочее тело разогревается, давление повышается и достигает максимального значения. Прирост давления идет параллельно с выталкиванием рабочего поршня 3. В результате давление не достигает теоретически рассчитанного максимума. Данный факт также объясняет хороший к.п.д. на малых оборотах двигателя. Рабочее тело прогревается лучше, и прирост давления приближается к максимуму.

На фиг.12 показан третий такт работы двигателя Стирлинга гамма-типа - такт расширения при постоянной температуре газа: дисплейсер 7 теплообменного цилиндра 6 находится вблизи верхней мертвой точки (ВМТ) и остается условно неподвижным. Поршень рабочего цилиндра 3 под действием давления газа движется к верхней мертвой точке. Происходит расширение горячего газа в полости рабочего цилиндра 1. Полезная работа, совершаемая поршнем рабочего цилиндра 3, через кривошипно-шатунный механизм передается на кривошип 14 и маховик 11. Давление в цилиндрах двигателя при этом падает, а температура газа в горячей полости остается постоянной, так как к нему подводится тепло от источника тепла через горячую стенку цилиндра.

На фиг.13 показан четвертый такт работы двигателя Стирлинга гамма-типа - такт охлаждения при неизменном объеме: поршень рабочего цилиндра 3 находится вблизи ВМТ и остается условно неподвижным. Дисплейсер 7 теплообменного цилиндра движется к НМТ и перемещает газ, оставшийся в горячей части в холодную часть цилиндра. Так как при этом суммарный внутренний объем цилиндров двигателя остается постоянным, давление газа в них продолжает падать и достигает минимального значения. В моделях двигателей, содержащих рабочее тело при атмосферном давлении, четвертый такт также является рабочим, поскольку давление падает резко и возникает кратковременное разрежение. В результате рабочий поршень 3 с усилием втягивается в цилиндр 1, совершая дополнительную работу. Из четырех тактов два - рабочие.

На фиг.14 показана конструкция механизма кварцевых часов, функционирующих от энергии, вырабатываемой генератором, который приводится в движение тепловым двигателем (Стирлинга), на котором показано: двигатель Стирлинга 20, передаточный механизм 21, редуктор 22, генератор 23, химический аккумулятор 25, блок кварцевого генератора 26, шаговый двигатель 27, зубчатая передача 28, стрелочный механизм 29, стрелки 30.

На фиг.15 показан вид сверху устройства получения энергии для функционирования кварцевых часов и зарядки аккумулятора для них, на котором показано: рабочий цилиндр 1, двигатель Стирлинга 20, передаточный механизм 21, редуктор 22, генератор 23.

На фиг.16 показана конструкция механизма кварцевых часов функционирующих от энергии вырабатываемой генератором, который приводится в движение тепловым двигателем (Стирлинга) с использованием механического аккумулятором, на котором показано: двигатель Стирлинга 20, передаточный механизм 21, редуктор 22, генератор 23, механический аккумулятор 24, химический аккумулятор 25, блок кварцевого генератора 26, шаговый двигатель 27, зубчатая передача 28, стрелочный механизм 29, стрелки 30.

На фиг.17 показана конструкция механизма кварцевых часов функционирующих от энергии вырабатываемой генератором, который приводится в движение тепловым двигателем (Стирлинга) в варианте использования жидкокристаллического индикатора вместо стрелочного, на котором показано: двигатель Стирлинга 20, передаточный механизм 21, редуктор 22, генератор 23, химический аккумулятор 25, плата 31, жидкокристаллический индикатор 32.

На фиг.18 показана конструкция механизма кварцевых часов функционирующих от энергии вырабатываемой генератором, который приводится в движение тепловым двигателем Стирлинга в варианте использования светодиодного индикатора времени вместо стрелочного, на котором показано: двигатель Стирлинга 20, передаточный механизм 21, редуктор 22, генератор 23, механический аккумулятор 24, химический аккумулятор 25, плата 31, светодиодный индикатор 33.

Осуществление изобретения

Изобретение представляет собою устройство получения электроэнергии для функционирования электрических приборов времени на осцилляторах с распределенными параметрами и зарядки устройства для накопления энергии с целью ее последующего использования (аккумулятор или конденсатор).

Вместо безраздельно господствующей ранее системы баланс-спираль в приборах времени стало рациональнее применять упругие пластины, камертоны, стержни, струны, кристаллы кварца и другие осцилляторы с большей добротностью, т.е. перейти от системы с сосредоточенными параметрами к осцилляторам с распределенными параметрами [6].

Осцилляторы с распределенными параметрами, достаточно известные к настоящему времени, обладают весьма высокой добротностью, величина которой при сравнимых размерах осцилляторов превышает в сотни и тысячи раз величину добротности часовых осцилляторов с сосредоточенными параметрами.

Стоит также отметить, что переход на осцилляторы с распределенными параметрами позволил существенно повысить точность приборов времени и электронно-механические приборы времени на осцилляторах с распределенными параметрами позволили получить в настоящее время точность по суточному ходу 0,1-0,001 сек и выше.

Также уже с начала XX в. физике были известны осцилляторы, не знающие механического старения, температурных, барометрических влияний и т.д. Это квантово-механические осцилляторы - атомы и молекулы.

Реализовать возможности таких осцилляторов так же, как и микроосцилляторов с распределенными параметрами, позволила радиоэлектроника, и квантовые приборы времени по сути дела являются также электрическими приборами времени (ЭПВ).

Любой часовой механизм ЭПВ приводится в действие электрическим током. Согласно изобретению питание часового механизма осуществляется за счет аккумулятора, который заряжается устройством для получения электроэнергии. Принцип работы устройства основан на поэтапном преобразовании энергии, в частности преобразовании тепловой энергии в механическую, а механической в электрическую. Для применения источников тепловой энергии и перевода их в механическую используется тепловой двигатель Стирлинга.

Одной из основных задач, которую позволяет решать использование теплового двигателя Стирлинга, это уменьшение воздействия температуры окружающей среды на осцилляторы, установленные в ЭПВ. Это особенно важно при реализации устройства в ЭПВ, работающих как на кварцевом осцилляторе, так и на камертонном осцилляторе.

Как известно точность хода кварцевых часов определяется стабильностью работы кварцевого резонатора. При этом одним из основных дестабилизирующих факторов для кварцевых резонаторов является воздействие температуры окружающей среды. Температурный уход частоты трудно компенсировать, так как температурное воздействие меняет знак с изменением не только внешних климатических условий, но и суточных колебаний, зависящих от положения часов, - на руке владельца (25+30°C) или вне руки (10+40°C).

Согласно изобретению температурное воздействие уменьшается за счет конструкции часов. Для уменьшения температуры пространства внутри корпуса часов на корпусе выполняют такие элементы охлаждения как ребра, канавки и т.д. Также в качестве охладителя могут использоваться подвижные элементы механизма часов. При этом дополнительно осуществляется отвод тепла на двигатель Стирлинга (на сторону рабочего цилиндра) для обеспечения функционирования двигательной установки. В совокупности это обеспечивает относительно стабильную температуру (перепад несущественный в 3-4°C). Это обеспечивает работу кварцевого резонатора в интервале рабочих температур (ИРТ).

Также известно, что стабильность частоты в схеме камертонного генератора определяется в первую очередь стабильностью собственной частоты камертона. На частоту колебаний камертона влияет как температурный режим, так и атмосферное давление.

С целью уменьшения температурных зависимостей камертона в изобретении предложено стабилизировать температуру внутри корпуса за счет ее охлаждения и отвода тепла на сторону рабочего цилиндра двигателя Стирлинга.

В основе конструкции двигательной установки Стирлинга лежат принцип попеременного нагрева и охлаждения заключенного в изолированном пространстве рабочего тела, при котором работа, затрачиваемая на сжатие рабочего тела, меньше работы, возникающей при расширении рабочего тела, за счет чего вырабатывается полезная механическая энергия.

Тепловой двигатель Стирлинга может работать не только от сжигания топлива, но и практически от любого источника тепла [7]. В моделях двигателей Стирлинга, где теплообменный цилиндр не имеет качественного нагревателя, рабочее тело разогревается не полностью, но поскольку давление в газах распространяется равномерно во все стороны, его изменение оказывает действие и на рабочий поршень, заставляя его двигаться и совершать работу.

В качестве теплового двигателя, в частности, может быть использован тепловой двигатель Стирлинга типа гамма. Он прост в изготовлении, низкотемпературный, низкооборотистый и, как показывают результаты многочисленных опытов, может работать на малом градиенте температур (3-4 градуса Цельсия).

Двигатель Стирлинга типа гамма состоит из двух цилиндров (Фиг.9).

Большой цилиндр - это теплообменный цилиндр 6. Его задача поочередно разогревать и охлаждать рабочее тело. Для этого один торец цилиндра разогревают - это нагреватель 4, другой торец - охлаждают - это охладитель 5. Боковые стенки теплообменного цилиндра 8 выполнены из материала с низкой теплопроводностью. Большой поршень - дисплейсер-вытеснитель 7 выполненный из теплоизоляционного материала, свободно перемещается в теплообменном цилиндре и выполняет роль теплового клапана, перегоняющего рабочее тело то к холодному, то к горячему торцу теплообменного цилиндра 6.

Малый цилиндр 1 является рабочим. Поршень рабочего цилиндра 3 плотно подогнан к рабочему цилиндру 1.

Поршень рабочего цилиндра 3 имеет шток 19, который через шарнир 18, соединен с шатуном 17, соединенным через шарнир 13 с кривошипом 15.

В свою очередь дисплейсер-вытеснитель 7 имеет шток 9, который через шарнир 12, соединен с шатуном дисплейсера 16, соединенным через шарнир 14 с кривошипом 15.

Шток 19, шарнир 18, шатун 17, шарнир 13, шток 9, шарнир 12, шатун 16, шарнир 14 кривошип 15 - представляют собой кривошипно-шатунный механизм, предназначенный для преобразования возвратно-поступательного движения поршней 3 и дисплейсера-вытеснителя 7 во вращательное движение кривошипа 15.

Кривошип 15 кинематически (на схеме соосно) соединен с маховиком 11. Маховик 11 предназначен для выравнивания движения и преодоления мертвых положений поршня и дисплейсера.

Двигатель Стирлинга гамма-типа работает следующим образом.

Цикл Стирлинга основан на последовательном нагревании и охлаждении газа (его называют рабочим телом) в замкнутом объеме. Рабочее тело нагревается в горячей части двигателя, расширяется и производит полезную работу, после чего перегоняется в холодную часть двигателя, где охлаждается, сжимается и снова подается в горячую часть двигателя. Цикл повторяется. Количество рабочего тела остается неизменным, меняется его температура, давление и объем.

Весь цикл условно разделен на четыре такта (фиг.10-13). Условность заключается в том, что четкое разделение на такты в цикле отсутствует, процессы переходят один в другой. Это обусловлено отсутствием в конструкции двигателей Стирлинга клапанного механизма. Особенности функционирования двигателя Стирлинга в конкретных тактах движения показаны на фиг.10-13.

Кроме двигателя Стирлинга типа гамма могут быть также использованы двигатели Стирлинга свободно поршневого типа и роторного типа, известные из уровня техники [7].

В двигателе Стирлинга свободно поршневого типа, известного как двигатель Била или двигатели Стирлинга альфа типа, есть три основных элемента: тяжелый рабочий поршень, легкий вытеснитель и цилиндр с уплотнениями на обоих концах, шток вытеснителя относительно большого диаметра проходит через рабочий поршень. Шток вытеснителя полый, с открытым торцом, так что внутренняя полость вытеснителя соединена (и фактически является ее частью) с полостью, расположенной ниже рабочего поршня, называемой буферной полостью. К рабочей полости относится часть цилиндра над рабочим поршнем, подразделяемая на полость сжатия - между рабочим поршнем и вытеснителем и полость расширения - над вытеснителем. Длинная узкая кольцевая щель между цилиндром и вытеснителем выполняет функцию регенератора между горячей полостью расширения и холодной полостью сжатия. Для полости расширения предусмотрен нагреватель, а для полости сжатия - холодильник.

В данном двигателе используется один цилиндр, но с двумя поршнями - дисплейсером и рабочим поршнем, расположенными первый над вторым по оси цилиндра. Шток дисплейсера проходит через крышку рабочего поршня и внутри его штока. Для обеспечения герметичности используются сальники. С одного края к цилиндру подводят тепло, с другой - охлаждают (на схеме зоны нагрева, регенерации и охлаждения вынесены в отдельный агрегат). Стенки рабочего поршня плотно прилегают к цилиндру. Дисплейсер - напротив - свободно движется в рабочем цилиндре. Дисплейсер выполнен из материала, имеющего низкую теплоемкость и выполняет роль "теплового клапана". Он перемещает рабочее тело из горячей полости цилиндра в холодную и обратно, препятствуя наступлению термодинамического равновесия переноса тепла в системе. Рабочее тело либо нагревается (дисплейсер при этом находится в нижней мертвой точке), либо охлаждается (дисплейсер - в верхней мертвой точке). За счет этого обеспечивается циклический перепад давления в системе, преобразуемый затем рабочим поршнем в полезную работу. Нерабочий объем минимизирован за счет размещения вытеснителя и рабочего поршня в одном цилиндре, что позволяет выиграть в мощности на единицу объема двигателя.

В двигателе Стирлинга роторного типа, в отличие от классической схемы теплообменного цилиндра, где дисплейсер совершает возвратно-поступательные движения, функцию "теплового клапана" выполняет несимметричный ротор. Вращаясь по оси, он поочередно перекрывает горячую и холодную зоны, вызывая нагрев и охлаждение рабочего тела. Роторные Стирлинги отличаются более компактными размерами и могут быть выполнены полностью герметичными. Для этого в корпусе двигателя размещают генератор, или выводят механический привод через магнитную муфту.

Тепловой двигатель Стирлинга преобразовывает разницу температур в энергию механического движения, в частном случае во вращение маховика или выходного вала, сопряженного с передаточным механизмом.

Передаточный механизм служит для преобразования и передачи вращательного, возвратно-поступательного движения поступающего с двигателя Стирлинга во вращение. Для увеличения оборотов вращения используется повышающий редуктор (мультипликатор), на вал которого передается вращение с передаточного механизма. Повышающий редуктор увеличивает угловую скорость и уменьшает крутящий момент.

Для перевода механической энергии в электрическую вращение с редуктора передается на вал генератора, принцип действия которого основан на явлении электромагнитной индукции, когда в проводнике, двигающемся в магнитном поле и пересекающем его магнитные силовые линии, индуктируется электродвижущая сила.

В некоторых вариантах для вращения в течения некоторого времени, при временном отсутствии работы двигателя Стирлинга, возможно применение механического аккумулятора в узле между передаточным механизмом и редуктором. Принцип работы механического аккумулятора основан на сохранении энергии механическими средствами, такими как спиральная пружина, пружина, груз, маятник и т.п. Механический аккумулятор представляет собой спиральную пружину, которая закручивается при вращении вала от передаточного механизма, который в свою очередь приводится в движение тепловым двигателем Стирлинга. Механический аккумулятор оснащен защитой пружиной, которая защищает ее от перекручивания, что может привести к разрыву пружины, то есть при достижении определенного напряжения при закручивании происходит прокрутка пружины.

Помимо механического аккумулятора, работающего от пружины, возможно применение аккумулятора гидравлического, пневматического, гиревого или маховичного.

Возможна работа устройства прямой подачей вращения с передаточного механизма на генератор.

Возможна работа устройства с прямой подачей возвратно-поступательного движения на генератор работающего от возвратно-поступательного движения.

Применение устройства получения электроэнергии для функционирования кварцевых электрических приборов времени на осцилляторах с распределенными параметрами и зарядки устройства для накопления энергии с целью ее последующего использования.

Механизм электрических приборов времени (например, кварцевых часов) может быть базовым, серийно выпускаемым, как в стандартном исполнении, так и с дополнительной доработкой.

Принцип работы устройства выработки энергии для функционирования кварцевых часов заключается в следующем: поступательно-вращательное движение, получаемое от двигателя Стирлинга, через передаточный механизм преобразуется во вращение вала редуктора.

С редуктора вращение передается генератору, который при вращении вырабатывает электроэнергию.

Получаемая электроэнергия с генератора может подаваться на блок кварцевого генератора для аналоговых часов (стрелочная индикация) или на плату для цифровых часов как напрямую, так и через химический аккумулятор.

Химический аккумулятор применяется для функционирования электрических приборов времени при отсутствии работы устройства получения электроэнергии (в течение времени или определенного промежутка времени).

Для часов с аналоговым индикатором принцип работы заключается в следующем.

Основными элементами кварцевых часов являются электронный блок и шаговый электродвигатель. Электронный блок раз в секунду посылает импульс двигателю, а тот поворачивает стрелки.

Очень высокую стабильность частоты вырабатываемых импульсов, а значит, и высокую точность хода, обеспечивает кристалл кварца. Кристалл кварца обладает уникальными свойствами: при сжатии он порождает электрический импульс, а при воздействии электрического тока кварц сжимается. Таким образом, кристалл можно заставить сжиматься-разжиматься, т.е. колебаться, под воздействием электрического тока. Подбором размеров кристалла добиваются частоты резонанса 32768 герц. Для преобразования сигнала с генератора, который выдает импульсы со скоростью 32768 электрических колебаний в секунду в движение стрелок, используется система шестеренок и зубчатых колес. Но ни одно механическое устройство не сможет работать с такой частотой, поэтому изначально импульсы генератора проходят через делитель - электронное устройство, суммирующее количество входящих импульсов и выдающее сигналы один раз в секунду. Эти импульсы подаются на обмотку шагового электродвигателя или балансового двигателя, которые преобразовывают энергии электрических сигналов во вращательное движение, подаваемое на зубчатые колеса, взаимодействующие со стрелочным механизмом.

Для кварцевых часов с цифровым индикатором принцип работы механизма тот же что и у кварцевых часов с аналоговым индикатором, только для вывода на цифровой индикатор сигнал с делителя сначала подается на счетчик секунд, после на счетчик минут, после чего на счетчик часов. Сигналы, выходящие со счетчиков, подаются на дешифратор который преобразовывает их в сигналы управления индикаторами, то есть выводит цифровое значение.

Цифровой индикатор может быть выполнен как жидкокристаллическим, так светодиодным [8].

Как отмечалось, точность хода кварцевых часов определяется стабильностью работы кварцевого резонатора. При этом одним из основных дестабилизирующих факторов для кварцевых резонаторов является воздействие температуры окружающей среды. Температурный уход частоты трудно компенсировать, так как температурное воздействие меняет знак с изменением не только внешних климатических условий, но и суточных колебаний, зависящих от положения часов, - на руке владельца (25+30°C) или вне руки (10+40°C).

Согласно изобретению температурное воздействие уменьшается за счет конструкции часов. Для уменьшения температуры пространства внутри корпуса часов на корпусе выполняют такие элементы охлаждения как ребра, канавки и т.д. Также в качестве охладителя могут использоваться подвижные элементы механизма часов. При этом дополнительно осуществляется отвод тепла на двигатель Стирлинга (на сторону рабочего цилиндра) для обеспечения функционирования двигательной установки. В совокупности это обеспечивает относительно стабильную температуру (перепад несущественный в 3-4°C). Это обеспечивает работу кварцевого резонатора в интервале рабочих температур (ИРТ).

Также возможно применение устройства для камертонных часов.

Камертон представляет собой металлический стержень, обычно прямоугольного сечения, согнутый в форме буквы U. Размеры сечения ветвей камертоны малы по сравнению с их длиной. Колебания ветвей камертона находятся в противофазе.

Камертон - это колебательная система с распределенными параметрами. В частном, но наиболее практически важном для хронометрии случае при отсутствии расстройки по частоте между ветвями камертона, его можно рассматривать как консольно закрепленный стержень.

В упрощенном варианте схема часов, приведенная на фиг.20, состоит из транзистора, резистора и конденсатора. Питание часов осуществляется от устройства получения электроэнергии, описанного ранее. На концах ножек миниатюрного камертона установлены магнитопроводы, их обычно изготавливают из электротехнической стали. В днищах магнитопроводов закреплены постоянные магниты. Сама вилка жестко крепится к платине. Также на платине часов закреплен пластмассовый каркас, с намотанными на нем двумя катушками - импульсной и катушкой возбуждения. Катушки соединяются последовательно. Частота колебания камертона составляет 360 Гц.

Магниты с магнитопроводом на концах вилки, перемещаются вдоль катушек (импульсной и возбуждения), в катушке возбуждения возникает ЭДС, которая отпирает переход транзистора. Ток от устройства получения электроэнергии, через коллекторно-эмиттерный переход транзистора поступает на импульсную катушку, а поле катушки, воздействует на камертон, сообщая ему импульс, тем самым поддерживая колебания.

На одной из ножек камертона закреплен толкатель, который передает колебательные движения камертона храповому механизму. Ходовое колесо храпового механизма, находится в зацеплении с другими колесами, что и приводит в действие весь часовой механизм.

Как отмечалось выше, стабильность частоты в схеме камертонного генератора определяется в первую очередь стабильностью собственной частоты камертона. На частоту колебаний камертона влияет как температурный режим, так и атмосферное давление.

С целью уменьшения температурных зависимостей камертона в изобретении предложено стабилизировать температуру внутри корпуса за счет ее охлаждения и отвода тепла на сторону рабочего цилиндра двигателя Стирлинга. Таким образом обеспечиваются оптимальные условия для работы часового механизма камертонных часов и повышается точность хода часов.

Также возможно применение устройства выработки энергии и для атомных часов.

Квантовые системы (атом или молекула) могут как излучать, так и поглощать электромагнитную энергию. Характер взаимодействия квантовой системы с полем и определяет различие в принципах построения современных типов квантово-механических регуляторов или, как их называют, мазеров (мазер - квантовый генератор, излучающий когерентные электромагнитные волны сантиметрового диапазона (микроволны)).

Схема часов, состоит из атомно-лучевой трубки, кварцевого генератора и блока автоматической подстройки частоты колебаний генератора.

С помощью атомно-лучевой трубки осуществляется автоматическая коррекция частоты кварцевого осциллятора.

В трубке используется атомный пучок щелочного металла цезия-133. В миниатюрную электрически печь закладывают источник атомов цезия, который нагревают до температуры испарения (цезий Т_пл≈30°C).

При получении узкого пучка атомов, не соударяющихся между собой, атомы выбрасываются из пространства печи через коллиматор, состоящий из системы трубок, на диафрагму. В трубке поддерживается высокий вакуум. После прохождения диафрагмы атомный пучок пропускается через постоянный магнит, создающий неоднородное магнитное поле с высоким градиентом напряженности в направлении, перпендикулярном оси пучка. В этом магнитном поле происходит разделение атомов пучка по основным двум энергетическим уровням в зависимости от направления магнитного момента. Пучок атомов с большой энергией отклоняется в сторону, а пучок атомов с меньшей энергией пропускается в систему двух резонаторов.

На участке между резонаторами создано однородное постоянное магнитное поле. В атомно-лучевых часах используется разность энергетических уровней атомов цезия, соответствующая частоте перехода ƒ₀=9192631770 Гц. На эту частоту настраивают оба резонатора.

Если к резонаторам через волновод подвести электромагнитное поле с частотой колебания ƒ, произойдет сильное поглощение энергии магнитного поля и, следовательно, перевод значительной части атомов цезия с нижнего энергетического уровня (с меньшей энергией) на более высокий энергетический уровень (с большей энергией). При несовпадении частоты колебаний электромагнитного поля ƒ с частотой ƒ₀ атомы цезия слабо или совсем не взаимодействуют с полем и значительная часть пучка атомов, поступающих в резонаторы, сохраняет невозбужденное состояние.

Непосредственно за системой двух резонаторов установлен постоянный магнит, неоднородное магнитное поле которого ориентировано так же, как и у магнита, установленного перед системой двух резонаторов. Под действием поля магнита, установленного после резонаторов, атомы с меньшей и большей энергией вновь летяг по разным траекториям: возбужденные атомы с большей энергией улавливаются ионным детектором, а невозбужденные атомы с меньшей энергией отклоняются в сторону. Ионный детектор превращает нейтральные атомы в поток заряженных частиц, создающих электрический ток. Этот ток усиливается с помощью электронного умножителя, а затем поступает на блок автоматической подстройки частоты кварцевого генератора.

Колебания кварцевого генератора после умножения его частоты до значения, соответствующего частоте атомов цезия (ƒ₀=9192,632 МГц), подаются на систему двух резонаторов трубки. Если частота кварцевого генератора, поступающая в резонаторы, равна частоте ƒ₀, то выходной ток электронного умножителя максимален. При отклонении частоты колебания кварцевого генератора от номинального значения уменьшается выходной ток электронного умножителя.

Нестабильность частоты атомно-лучевых часов составляет 1·10-¹¹.

Также возможно применение устройства получения электроэнергии и для других электрических приборов времени на осцилляторах с распределенными параметрами.

В качестве вариантов исполнения отдельных элементов корпуса, деталей, узлов часов могут быть использованы различные известные и традиционные для часового производства технологии, материалы и конструктивные решения, обычно применяемые в часовой технике [9, 10, 11, 12].

Таким образом обеспечивается достижение требуемого технического результата, а именно повышение точности хода электрических приборов времени, увеличение автономности работы часового механизма. Кроме этого достигается технический результат, который заключается в получении электрической энергии для функционирования электрических приборов времени, в частности, для автоматической зарядки аккумулятора при отсутствии внешнего воздействия пользователя посредством преобразования тепловой энергии, т.е. использования разности температур различных областей пространства. Кроме этого достигается технический результат, который заключается в повышении надежности и долговечности ЭПВ за счет исключения возникновения перенапряжений или возникновения недостаточного напряжения питания в электрических приборах времени за счет использования устройства преобразования тепловой энергии в механическую для получения электроэнергии, основанного на использовании теплового двигателя. Кроме этого изобретение обеспечивает достижение технического результата, который заключается в получении энергии для функционирования электрических приборов времени, в частности для зарядки аккумулятора, а так же использование полученной энергии для функционирования вспомогательных объектов.

Учитывая новизну совокупности существенных признаков, техническую осуществимость и промышленную применимость изобретения, решение поставленных изобретательских задач и уверенное достижение требуемого технического результата при реализации и использовании изобретения, по нашему мнению, заявленная группа изобретений удовлетворяет всем требованиям охраноспособности, предъявляемым к изобретениям.

Проведенный анализ показывает также, что все общие и частные признаки изобретения являются существенными, так как каждый из них необходим, а все вместе они не только достаточны для достижения цели изобретения, но и позволяют реализовать изобретение промышленным способом.

Источники информации

1. http://scsiexplorer.com.Ua/index.php/istoria-otkritiy/136-istoria-elektrichestva.html.

2. http://www.i-watch.ru/info/s32.html.

3. .mywatch.ru/watch-art/art_309.html.

4. http://tawatec.su/stati-o-chasah/principi-raboti-chasovih-mehanizmov.html.

5. http://www.roachman.com/thermic/.

6. Электрические приборы времени. В.А. Шполянский, Б.М. Чернягин. - М.: Машиностроение, 1964 г.

7. Уокер Г. Машины, работающие по циклу Стирлинга. Пер. с англ. М.: Энергия, 1978 г.; Двигатели Стирлинга. Под. ред. Круглова М.Г. М.: Машиностроение. 1977 г.; Двигатели Стирлинга. Сборник статей. Пер. с англ. Сутугина Б.В.; Под. ред. Бродянского В.М. М.: Мир, 1975 г.; Ридер Г., Хупер Ч. Двигатели Стирлинга. М.: Мир, 1986 г.; Уокер Г. Двигатели Стирлинга. Перевод с английского. М.: Машиностроение, 1985 г.

8. В.П. Царев, И.В. Сидин. Кварцевые электронные часы. М.: Высшая школа, 1990 г.

9. Харитончук А.П. Справочная книга по ремонту часов. М., 1977 г., стр.18, 21.

10. Романов А.Д. Проектирование приборов времени. М., 1975 г., стр.140.

11. Тарасов С.В. Технология часового производства. М., 1963 г.

12. Попова В.Д., Гольдберг Н.Б. Устройство и технология сборки часов. М., 1989 г.

Использование: изобретение относится к области часовой промышленности. Сущность: электрический прибор времени содержит аккумулятор, часовой механизм, индикатор времени и устройство, преобразующее один вид энергии в другой. При этом часовой механизм приводится в действие электрическим током, а устройство, преобразующее один вид энергии в другой, выполнено в виде устройства преобразования тепловой энергии в механическую для получения электроэнергии для функционирования электрических приборов времени. При этом устройство преобразования тепловой энергии в механическую для получения электроэнергии содержит тепловой двигатель, выполненный с возможностью преобразования разницы температур в двух разных точках пространства либо на поверхностях, либо на поверхности и пространстве в механическое движение, передающееся на генератор, вырабатывающий электрический ток. При этом тепловой двигатель может быть выполнен в виде теплового двигателя Стирлинга гамма-типа, роторного типа или свободно-поршневого типа. Техническим результатом, получаемым при использовании изобретения, является повышение точности хода электрических приборов времени, увеличение автономности работы часового механизма. Кроме этого техническим результатом изобретения является получение электрической энергии для функционирования электрических приборов времени, в частности для автоматической зарядки аккумулятора при отсутствии внешнего воздействия пользователя посредством преобразования тепловой энергии, т.е. использования разности температур различных областей пространства. Кроме этого техническим результатом изобретения также является повышение надежности и долговечности за счет исключения возникновения перенапряжений или возникновения недостаточного напряжения питания в электрических приборах времени за счет использования устройства преобразования тепловой энергии в механическую для получения электроэнергии, основанного на использовании теплового двигателя. Кроме этого изобретение обеспечивает достижение технического результата, который заключается в получении энергии для функционирования электрических приборов времени, в частности для зарядки аккумулятора, а также использование полученной энергии для функционирования вспомогательных объектов. 3 н. и 37 з.п. ф-лы, 18 ил.

1. Устройство преобразования тепловой энергии в механическую для получения электроэнергии для функционирования электрических приборов времени, характеризующееся тем, что содержит тепловой двигатель Стирлинга, выполненный с возможностью преобразования разницы температур в двух разных точках пространства либо на поверхностях, либо на поверхности и пространстве в механическое движение, передающееся на генератор, вырабатывающий электрический ток.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что тепловой двигатель выполнен с возможностью преобразования разности температур у поверхности часов и температуры окружающего воздуха в механическое движение, передающееся на генератор.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что тепловой двигатель выполнен в виде теплового двигателя Стирлинга гамма-типа, роторного типа или свободно-поршневого типа.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что тепловой двигатель выполнен с возможностью использования в качестве охладителя или нагревателя боковых сторон корпуса часов или стороны циферблата, а качестве теплоприемника и нагревателя или охладителя -задней крышки или части задней крышки корпуса часов с расположенным между ними теплоизоляционным материалом с низким коэффициентом теплопроводности.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что тепловой двигатель выполнен с возможностью использования в качестве охладителя механизма часов, подвижных элементов механизма часов или маховика в форме крыльчатки.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что тепловой двигатель выполнен с возможностью использования в качестве охладителя ребер, канавок или дополнительных элементов охлаждения на корпусе часов.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что теплопроводящие части теплового двигателя и/или корпуса часов выполнены из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, например из алюминия, сплавов алюминия, меди, медного сплава, серебра, сплава серебра или сплавов золота.

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что тепловой двигатель выполнен с возможностью нагревания от естественного источника тепла, такого как тепло тела человека или Солнце.

9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что тепловой двигатель выполнен с возможностью нагревания от тепла человеческой руки.

10. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что тепловой двигатель выполнен с возможностью использования тепла, выделяемого электроникой, источниками света, нагревательными системами, отопительными системами.

11. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что тепловой двигатель выполнен с возможностью охлаждения от поверхности, например, такой как стекло, стена, или от окружающей среды.

12. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что тепловой двигатель выполнен с возможностью использования в нем в качестве рабочего тела газа - воздуха, водорода, гелия, паров ацетона или спирта.

13. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что тепловой двигатель выполнен с механизмом принудительного начального запуска.

14. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что тепловой двигатель выполнен с возможностью совместного функционирования с другими двигателями.

15. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что механическая передача осуществляется, по меньшей мере, одним передаточным механизмом.

16. Устройство по п. 15, отличающееся тем, что передаточный механизм выполнен в виде редуктора.

17. Устройство по п. 16, отличающееся тем, что передаточный механизм содержит механический аккумулятор.

18. Устройство по п. 16, отличающееся тем, что передаточный механизм содержит механический аккумулятор и редуктор.

19. Устройство по п. 18, отличающееся тем, что механический аккумулятор выполнен в виде пружинного, гидравлического, пневматического, гиревого или маховичного механического аккумулятора.

20. Электрический прибор времени, содержащий аккумулятор, часовой механизм, индикатор времени, устройство, преобразующее один вид энергии в другой, отличающийся тем, что часовой механизм выполнен с возможностью приведения в действие электрическим током, а устройство, преобразующее один вид энергии в другой, выполнено в виде устройства для получения электроэнергии по любому из пп. 1-20.

21. Электрический прибор времени по п. 20, отличающийся тем, что часовой механизм содержит осциллятор с распределенными параметрами.

22. Электрический прибор времени по п. 21, отличающийся тем, что осциллятор с распределенными параметрами часового механизма выполнен в виде камертонного осциллятора.

23. Электрический прибор времени по п. 21, отличающийся тем, что осциллятор с распределенными параметрами часового механизма выполнен в виде кварцевого осциллятора.

24. Электрический прибор времени по п. 21, отличающийся тем, что осциллятор с распределенными параметрами выполнен в виде квантово-механического осциллятора - мазера.

25. Электрический прибор времени по п. 20, отличающийся тем, что индикатор времени выполнен в виде стрелочного индикатора времени, или жидкокристаллического индикатора времени, или светодиодного индикатора времени.

26. Электрический прибор времени по п. 20, отличающийся тем, что он дополнительно оснащен вспомогательными объектами, такими как будильник, секундомер, таймер, радио, фонарик, персональный компьютер, устройство обеспечения беспроводной связи, устройство фото- и видеосъемки.

27. Способ преобразования тепловой энергии в механическую для получения электроэнергии для функционирования электрических приборов времени, характеризующийся тем, что используют тепловой двигатель Стирлинга, выполненный с возможностью преобразования разницы температур в двух разных точках пространства либо на поверхностях, либо на поверхности и пространстве в механическое движение, передающееся на генератор, вырабатывающий электрический ток.

28. Способ по п. 27, отличающийся тем, что используют тепловой двигатель с возможностью преобразования разности температур со стороны задней крышки часов и температуры воздуха с боковых сторон корпуса часов и/или со стороны циферблата в движение подвижных элементов часового механизма.

29. Способ по п. 27, отличающийся тем, что используют тепловой двигатель Стирлинга гамма-типа, роторного типа или свободно-поршневого типа.

30. Способ по п. 27, отличающийся тем, что в качестве охладителя теплового двигателя используют боковые стороны корпуса часов, а качестве теплоприемника и нагревателя используют заднюю крышку или часть задней крышки корпуса часов с расположенным между ними теплоизоляционным материалом с низким коэффициентом теплопроводности.

31. Способ по п. 27, отличающийся тем, что в качестве охладителя теплового двигателя используют часовой механизм, или отдельные подвижные элементы часового механизма, или маховик в форме крыльчатки.

32. Способ по п. 31, отличающийся тем, что для интенсификации охлаждения теплового двигателя выполняют на корпусе часов ребра, канавки или дополнительные элементы охлаждения.

33. Способ по п. 30, отличающийся тем, что для интенсификации нагревания теплового двигателя часть корпуса часов выполняют из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, например из алюминия, сплавов алюминия, меди, медного сплава, серебра, сплава серебра или сплавов золота.

34. Способ по п. 27, отличающийся тем, что тепловой двигатель выполняют с возможностью использования в нем в качестве рабочего тела газа - воздуха, водорода, гелия, паров ацетона или спирта.

35. Способ по п. 27, отличающийся тем, что тепловой двигатель выполняют с механизмом принудительного начального запуска.

36. Способ по п. 27, отличающийся тем, что механическую передачу осуществляют, по меньшей мере, одним передаточным механизмом.

37. Способ по п. 36, отличающийся тем, что передаточный механизм выполняют в виде редуктора.

38. Способ по п. 36, отличающийся тем, что передаточный механизм содержит механический аккумулятор.

39. Способ по п. 36, отличающийся тем, что передаточный механизм содержит механический аккумулятор и редуктор.

40. Способ по п. 39, отличающийся тем, что механический аккумулятор выполняют в виде пружинного, гидравлического, пневматического, гиревого или маховичного механического аккумулятора.