АВТОНОМНЫЙ САМОЗАРЯЖАЮЩИЙСЯ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ И НОСИМОЕ НА ТЕЛЕ ЧЕЛОВЕКА ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО

Область техники
Полезная модель относится к области электронной промышленности, а более конкретно к электронным устройствам, работающим на автономном источнике питания и направлено на создание устройства, позволяющего обеспечить автономное бесперебойное питание за счет использования тепловой энергии, вырабатываемой человеческим телом.
Уровень техники
В современном мире электронные устройства играют важную и неотъемлемую роль в жизни человека. Практически не осталось сферы деятельности человека, где бы электронные устройства ни применялись. Появление первого электронного устройства связано с возникновением такой науки как электроника. Возникновению электроники предшествовало изобретение радио.
Электроника (от греч. Hλεктρóvio - электрон) - наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и методах создания электронных приборов и устройств для преобразования электромагнитной энергии, в основном для приема, передачи, обработки и хранения информации.
Выделяют несколько этапов развития электроники.
1 этап - до 1904 г.
Который характеризуется открытием А. Лодыгином в 1873 г. лампы накаливания с угольным стержнем; открытие Т. Эдисон в 1883 г. явления термоэлектронной эмиссии; открытие Ф. Брауном в 1874 г. выпрямительного эффекта в контакте металла с полупроводником и использование А. Поповым в 1895 г. этот эффект для детектирования радиосигналов и т.д.
2 этап - до 1948 г. - период развития вакуумных и газоразрядных электроприборов. Где в 1904 г. Д. Флеминг сконструировал электровакуумный диод; в 1907 г. Ли-де-Форест изобрел триод; в 1920 году Бонч-Бруевич разработал генераторные лампы с медным анодом и водяным охлаждением, мощностью до 1 кВт; в 1924 г. Хеллом разработана экранированная лампа с двумя сетками (тетрод) и в 1930 г. лампа с тремя сетками (пентод); в 1929 г. В. Зворыкиным был изобретен кинескоп; с 30-х годов ведется разработка приборов СВЧ-диапазона и т.д.
3 этап - с 1948 г. - период создания и внедрения дискретных полупроводниковых приборов.
4 этап - с 1960 г. - период развития микроэлектроники. Роберт Нойс предложил идею монолитной интегральной схемы и, применив планарную технологию, изготовил первые кремниевые монолитные интегральные схемы. Поскольку радиопередатчики сразу же нашли применение (в первую очередь на кораблях и в военном деле), для них потребовалась элементная база, созданием и изучением которой и занялась электроника.
С развитием электроники появлялись новые электронные устройства, развивались и претерпели изменения старые электронные устройства. Некогда громоздкие и требующих огромных энергетических затрат электронные устройства стали гораздо меньше по габаритам и уменьшились их энергетические затраты для функционирования.
Электроника стала неотъемлемой частью в жизни человека и проникла во все сферы его деятельности, что существенно упростила жизнь человеку.
Но с активным применением электронных устройств, в частности переносных электронных устройств работающих от автономных источников питания, человек столкнулся с одной существенной проблемой, которая заключалась в том, что при истощении запасов энергии источника питания его необходимо либо заменять на новый, либо постоянно подзаряжать его.
Данная проблема актуальна не только сточки зрения техники и экономики, но существенна с точки зрения экологии, потому что постоянное использование одноразовых источников питания влечет за собою ряд последствии оказывающих побочные действия на окружающую среду (утилизация старых и постоянное и возрастающее производство новых), а использование источников многоразового действия из-за постоянной их подзарядки от цепи также влияют на экологию земли, так как существенно увеличивают энергозатраты.
Решения данной проблемы человечество решило искать в уменьшении размеров и использовании естественных источниках питания.
Так известны попытки специалистов из Великобритании получить микроскопический поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС). [1]
В частности профессором Симоной Хохгреб (Simone Hochgreb) из Центра исследования горения университета Кембриджа (Combustion Research) Centre of Cambridge University) и доктором Кили Цзян (Kyle Jiang) из Центра микроинжиниринга и нанотехнологий университета Бирмингема (Micro-Engineering Nano-Technology Research Centre of University of Birmingham) был спроектирован двигатель с объемом камеры сгорания порядка одного кубического миллиметра. Детали этих двигателей - плоские. Поршни представляют собой крошечные пластинки, выполненные методом ультрафиолетовой литографии. Поршни движутся, будучи закрытыми с краев фигурной пластиной, играющей роль корпуса, а сверху и снизу - такими же плоскими крышками. ДВС, созданные британскими учеными представляют собой классические дизельные двигатели, работающие на метаноловых смесях (с добавкой водорода), способных самостоятельно вспыхивать при такте сжатия.
Однако есть ряд недостатков, один из которых связан с тем, что компоненты на базе кремния плохо сочетаются с высокими температурами в зоне сгорания. Кроме этого имеют место огромные теплопотери через стенки. Для двигателя размером в несколько миллиметров потери оказываются куда большими, относительно энергии, получаемой от сгорания топлива, чем для обычных ДВС.
Известен миниатюрный термоэлемент, разработанный компанией Thermo Life Energy, генерирующий энергию для датчиков, имплантатов и чипов за счет самых небольших перепадов температур. [2]
Термоэлектрические элементы, представляющие собой набор из ряда термопар, составленных из определенных веществ (полупроводники, металлы), вырабатывают ток при возникновении разницы температур двух концов этих пар. То есть в данном устройстве применяется известный эффект Зеебека. Эффект Зеебека состоит в том, что в электрической цепи, составленной из разных проводников, возникает термоэдс, если места контактов поддерживаются при разных температурах. [3] Если цепь замкнута, то в ней течет электрический ток (так называемый термоток), причем изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления термотока. Цепь, составленная из двух различных проводников, называется термоэлементом (или термопарой), а ее ветви - термоэлектродами. Величина термоэдс зависит от абсолютных значений температур спаев, разности этих температур и от природы материалов, составляющих термоэлемент. Сам по себе принцип известен очень давно и часто применяется на практике. Новшество Thermo Life Energy заключается в том, что в таблетке диаметром 9,3 мм уместились более 5000 тончайших термопар, которые созданы на подложке при помощи процесса, базирующегося на фотолитографии. При этом материал для изготовления термопар - это сплав на основе теллура и висмута.
Основным недостатком микрогенератора является его дороговизна и сложность изготовления. Вместе с тем с уменьшением разницы температур эффективность производства электроэнергии также будет уменьшаться. Кроме этого при отсутствии разницы температур между контактами ЭДС не возникает, т.е. не происходит возбуждения электрического тока.
Также известно предложение использовать эффект Зеебека в органических молекулах. [4] Исследователи Калифорнийского университета в Беркли под руководством Арунавы Майумдара (Arunava Majumdar) используют золотые наноэлектроды, которые контактируют с тремя различными видами органических молекул. При изменении температуры в этой системе - как и в обыкновенных термопарах - происходит возникновение тока. По утверждению специалистов, это недорогое и несложное устройство, даже несмотря на то, что в нем используются золотые наночастицы. Однако на сегодняшний день результат с получением тока был достигнут только с единственным таким контактом.
Кроме этого известен патентный документ CN 202425613 U (SIYE LU, опубл. 12.09.2012), в котором раскрывается устройство преобразующее разность температур в электрическую энергию - обратный эффект Зеебека. В устройстве используется элемент Пельтье, в основе работы которого лежит контакт двух токопроводящих материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При протекании тока через контакт таких материалов, электрон приобретает энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника.
Недостатком известного решения является ограниченность эксплуатации, необходимость обеспечения своего рода «теплового экрана», за счет теплой воздушной прослойки, которая возникает между телом и одеждой, что дополнительно снижает эффективность работы устройства.
Известен патентный документ RU 2494523 C2 (Милашенко А.Ф., опубл. 27.09.2013), в котором раскрывается способ получения и накопления электрической энергии постоянного тока от тела человека. В известном решении обеспечивается питание технических средств с малым электропотреблением от прикосновения к телу человека. Для этого две пластины, одна из которых медная, другая - алюминиевая, электрически соединяют с различными обкладками (выводами) конденсатора и приводят в соприкосновение с телом человека. Тем самым конденсатор заряжается и между пластинами и конденсатором наблюдается возникновение спадающего тока заряда.
Недостатком известного решения является необходимость плотного соприкосновения устройства с телом человека, которое не всегда может быть обеспечено и что значительно снижает эффективность работы устройства. Кроме этого для работы устройства необходимо обеспечить комнатные параметры температуры, давления и влажности воздуха. Тем самым устройство невозможно реализовать в иных условиях.
Резюмируя вышеизложенное можно сделать заключение, что на сегодняшний день не известны технические решения, в которых осуществляется постоянная зарядка источника питания, за счет использования теплового двигателя Стирлинга, работающего 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. При этом нагрев рабочего тела осуществляется тепловой энергией, выделяемой телом человека, а охлаждение рабочего тела осуществляется от окружающего пространства.
Таким образом, на сегодняшний день ничего похожего по устройству получения энергии от тела человека в литературе не встречалось и использование таких образцов в технике не известно.
Задача и технический результат
Задача предлагаемой полезной модели состоит в разработке и практической реализации автономной и постоянной зарядки аккумулятора электронных устройств, носимых на теле человека, принцип которого основан на получении электрической энергии от разности температур относительно человеческого тела и окружающего пространства.
Техническим результатом, получаемым при использовании полезной модели, является
- появление электрического тока и накопление электрической энергии для постоянной автономной самозарядки источника питания для электронных приборов, контактирующих с человеческим телом, посредством преобразования тепловой энергии вырабатываемой человеческим телом, т.е. использования разности температур относительно тела человека и окружающего пространства.
- увеличивается автономность работы носимого на теле человека электронного устройства, которое достигается за счет обеспечения бесперебойного, постоянного стабильного напряжения питания, которое в свою очередь достигается при использовании автономного самозаряжающегося источника питания, использующего тепловую энергию, выделяемую телом человека для функционирования теплового двигателя Стирлинга и последующей передачей механической энергии на генератор, который вырабатывает электрический ток и в свою очередь заряжает аккумулятор.
- существенное увеличение времени работы устройства без использования внешних источников электрической энергии (электрическая сеть), т.е. при эксплуатации электронное устройство не нуждается в подзарядке от внешних стандартных источников питания.
- повышение надежности и долговечности работы электронного устройства, контактирующего с телом человека при использовании автономного самозаряжающегося источника питания, за счет исключения полной разрядки аккумулятора при эксплуатации.
Кроме этого полезная модель обеспечивает использование естественного энергии, в частности тепла выделяемым человеческим телом, что в свою очередь повышает экологичность эксплуатации электронного устройства, носимого на теле человека.
Сущность полезной модели
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат при использовании полезной модели достигается тем, что автономный самозаряжающийся источник питания, использующий тепловую энергию, выделяемую телом человека содержит аккумулятор, заряжаемый генератором, вырабатывающим электрический ток, который приводится в действие механическим движением, передающимся от теплового двигателя Стирлинга, рабочее тело которого заключено в изолированном пространстве, а двигатель приводится в действие путем попеременного нагрева и охлаждения рабочего тела, при этом нагрев рабочего тела осуществляется тепловой энергией, выделяемой телом человека, а охлаждение рабочего тела осуществляется через охладитель окружающим пространством. При этом тепловой двигатель Стирлинга выполнен с возможностью преобразования разности температур на поверхности тела и температуры окружающего пространства в механическое движение, передающееся на генератор. Кроме этого тепловой двигатель выполнен в виде теплового двигателя Стирлинга гамма типа, роторного типа или свободно-поршневого типа. Также тепловой двигатель Стирлинга содержит, по меньшей мере, один рабочий цилиндр (1) и, по меньшей мере, один теплообменный цилиндр (6).
При этом тепловой двигатель выполнен с возможностью нагревания рабочего тела теплового двигателя Стирлинга за счет соприкосновения теплопроводной стороны (4) теплообменного цилиндра (6) двигателя с телом человека.
Также тепловой двигатель выполнен с возможностью охлаждения рабочего тела теплового двигателя Стирлинга за счет отдачи тепла через теплопроводную поверхность (5) окружающей среде и охлаждения поверхности (5) теплообменного цилиндра (6) окружающей средой.
Для интенсификации нагревания теплового двигателя теплопроводная сторона (4) теплообменного цилиндра (6) выполнена из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, например из алюминия, сплавов алюминия, меди, медного сплава, серебра, сплава серебра или сплавов золота. Кроме этого для интенсификации нагрева на теплопроводной стороне (4) могут быть выполнены ребра или канавки для увеличения площади нагрева.
Для интенсификации охлаждения на охлаждающей теплопроводной поверхности (5) теплообменного цилиндра (6) выполняют ребра, канавки или дополнительные элементы охлаждения. Кроме этого такого рода охлаждающие элементы могут быть предусмотрены на корпусе устройства, внутри которого может быть расположен двигатель Стирлинга.
Также тепловой двигатель выполнен с возможностью использования в нем в качестве рабочего тела газа - воздуха, водорода, гелия, паров ацетона или спирта.
Кроме этого тепловой двигатель выполнен с механизмом принудительного начального запуска.
При этом тепловой двигатель выполнен с возможностью совместного функционирования с другими двигателями.
При этом механическая передача осуществляется, по меньшей мере, одним передаточным механизмом.
При этом передаточный механизм выполнен в виде редуктора.
При этом передаточный механизм содержит механический аккумулятор.
При этом передаточный механизм содержит механический аккумулятор и редуктор.
При этом механический аккумулятор выполнен в виде пружинного, гидравлического, пневматического, гиревого или маховичного механического аккумулятора.
Поставленная задача решается, а требуемый результат при использовании полезной модели достигается также тем, что носимое электронное устройство, которое можно носить на теле человека, содержит автономный самозаряжающийся источник питания. При этом носимое электронное устройство может быть выполнено в виде компьютера, либо часов, либо очков, либо коммуникатора или смартфона, либо микрочипа, либо датчика и т.д.
Перечисленные устройства - это лишь приблизительный перечень электронных устройств, которые возможно носить на теле и в которых используется заявленный автономный источник питания. Это ни в коей мере не ограничивает возможное использование полезной модели, согласно данной заявке.
Краткое описание чертежей
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
В предпочтительных, показанных на чертежах, вариантах конструктивного исполнения устройства теплового двигателя Стирлинга для автономного самозаряжающегося источника питания, источник питания с двигателем Стирлинга и электронное устройство, носимое на теле человека, с автономным самозаряжающимся источником питания 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 - передаточный механизм,
21 - редуктор,
22 - генератор,
23 - механический аккумулятор,
24 - химический аккумулятор,
25 - автономный самозаряжающийся источник питания,
26 - электронное устройство,
27 - экран электронного устройства,
28 - корпус электронного устройства,
29 - часть тела человека,
30 - фиксирующий ремень,
31 - охладительные каналы.
На фиг. 1 показана структурно функциональная схема автономного самозаряжающегося источника питания, на которой показаны: тело человека, тепловая энергия, выделяемая им, тепловой двигатель Стирлинга, передаточный механизм, редуктор, генератор, аккумулятор, электронный прибор где пунктиром показан функциональный блок автономного самозаряжающегося источника питания.
На фиг. 2 показана конструкция теплового двигателя Стирлинга гамма типа в возможной компоновке для использования в автономном самозаряжающимся источнике питания, 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. 3 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. Рабочее тело (газ) сжимается рабочим поршнем 3 малого цилиндра 1. Давление рабочего тела (газа) возрастает, а температура остается постоянной, так как теплота сжатия отводится через холодный торец теплообменного цилиндра 5 в окружающую среду. Белыми стрелками показано охлажденное рабочее тело, сжимаемое рабочим поршнем.
Под условной неподвижностью в данном случае подразумевают малую высоту перемещения поршня при прохождении кривошипом расстояния вблизи верхней или нижней мертвой точки.
На фиг. 4 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 охлажденное сжатое рабочее тело (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. Белыми стрелками показано охлажденное рабочее тело, сжимаемое рабочим поршнем, черно-белыми стрелками показано рабочее тело (газ), вытесняемое дисплейсером-вытеснителем из верхней холодной области в нижнюю горячую, где оно нагревается и расширяется.
На фиг. 5 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 рабочего тела (газа) в полости рабочего цилиндра 1. Полезная работа, совершаемая поршнем рабочего цилиндра 3, через кривошипно-шатунный механизм передается на кривошип 14 и маховик 11. Черными стрелками показано нагретое рабочее тело (газ). 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. 6 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 рабочее тело (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 разряжение. В результате рабочий поршень 3 с усилием втягивается в цилиндр 1, совершая дополнительную работу.
Черно-белыми стрелками показано перемещение рабочего тела (газа), вытесняемое дисплейсером-вытеснителем, из нижней горячей области в верхнюю холодную, где оно охлаждается и сжимается. Из четырех тактов два - рабочие.
На фиг. 7 показана конструкция автономного самозаряжающегося источника питания работающего от разности температур относительно человеческого тела и окружающего пространства, на котором показано: нагреватель-теплосъемник 4, который нагревается от тепла тела человека, охладитель 5, который контактирует с окружающей средой, стенки теплообменного цилиндра 8, передаточный механизм 20, редуктор 21, генератор 22, механический аккумулятор 23, химический аккумулятор 24.
На фиг. 8 показана конструкция электронного прибора, работающего от автономного самозаряжающегося источника питания, выполненного в виде наручного компьютера (умные часы), на котором показано: нагреватель-теплосъемник 4, который нагревается от тепла тела человека, охладитель 5, который контактирует с окружающей средой, стенки теплообменного цилиндра 8, генератор 22, аккумулятор 24, электронное устройство 26, экран электронного устройства 27, корпус электронного устройства 28, часть тела человека 29, фиксирующий ремень 30, охладительные каналы 31.
На фиг. 9 показана конструкция электронного прибора, работающего от автономного самозаряжающегося источника питания, выполненного в виде электронных очков, на котором показано: автономный самозаряжающийся источник питания 25, корпус электронного устройства 28, часть тела человека 29.
На фиг. 10 показана конструкция электронного прибора, работающего от автономного самозаряжающегося источника питания, выполненного в чипа, на котором показано: автономный самозаряжающийся источник питания 25, электронное устройство 26.
Осуществление полезной модели
Полезная модель представляет собою автономный самозаряжающийся источник питания для электронных устройств, носимых на теле человека при эксплуатации.
Любое электронное устройство для функционирования использует электрический ток. Согласно полезной модели функционирование электронного устройства осуществляется за счет самозаряжающегося источника питания, самозарядка которого происходит за счет разности температур и является абсолютно автономным процессом. Принцип работы полезной модели основан на поэтапном преобразовании энергии, в частности преобразовании тепловой энергии, вырабатываемой человеческим телом, в механическую, а механической в электрическую. Для применения тепловой энергии, вырабатываемой человеческим телом, и перевода ее в механическую используется тепловой двигатель 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.
Основные термодинамические процессы, протекающие в обычных тепловых двигателях: сжатие газа, поглощение тепла, расширение газа и отвод тепла, легко различимы и в цикле двигателя Стирлинга, однако имеется радикальное различие в том, как протекает процесс поглощения тепла в двигателе внутреннего сгорания (ДВС).
В ДВС распыленное топливо соединяется с окислителем, как правило воздухом, до фазы сжатия или после этой фазы, и образовавшаяся горючая смесь отдает свою энергию во время кратковременной фазы горения (сгорания), в то время как в двигателе Стирлинга энергия поступает в двигатель и отводится от него через стенки цилиндра или теплообменник (см. фиг. 3-6). Еще одним существенным различием является отсутствие клапанов или отверстий для впуска и выпуска, поскольку рабочее тело (газ) постоянно находится в полостях двигателя. Надо отметить, что скорость двигателя Стирлинга можно регулировать, изменяя количество газа в двигателе или величину среднего давления.
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 двигателях Стирлинга также могут применяться регенеративные теплообменники (регенераторы), размещенные в каналах, по которым газ перемещается между горячей и холодной зонами двигательной установки. Функцией регенератора является попеременное накопление и возвращение части тепловой энергии, полученной в рабочем цикле двигателя. Передача энергии пульсирующему газовому потоку должна происходить таким образом, чтобы свести к минимуму подвод тепла к установке и в то же время поддерживать на заданном уровне мощность, снимаемую с вала. Результатом действия регенератора является возрастание КПД цикла, и теплообменник такого типа может являться существенным элементом любого двигателя Стирлинга, рассчитанного на практическое применение. Таким образом, правильнее определить двигатель Стирлинга как тепловой двигатель, работающий по замкнутому регенеративному циклу.
Также необходимо отметить, что заявляемая конструкция двигателя Стирлинга, функционирующего от тепла чела человека, предусматривает его работу и в случае, когда температура окружающей среды будет превышать температуру тела человека. В этом случае охладитель будет выполнять роль нагревателя, а нагреватель будет выполнять роль охладителя двигатель. Возникшая температурная разница будет по-прежнему заставлять сжиматься и разжиматься рабочее тело, которое в свою очередь будет приводить в движение вытеснитель-дисплейсер и рабочий поршень. При этом полезная работа, совершаемая рабочим поршнем, при помощи передаточного механизма передается на вращательный вал редуктора, который в свою очередь вращает вал генератора.
Кроме этого, особенностью заявляемого устройства является и то, что нагреватель-теплосъемник (4) теплообменного цилиндра (6) может неплотно контактировать с телом человека, т.е. не предусматривается плотного контакта нагревателя с телом человека. Нагрев теплосъемника (4) осуществляется даже в случае его контакта с телом человека через одежду, например, через рубашку, тонкий свитер и пр., либо через плотный волосяной покров (волосы). В этом случае также будет осуществляться теплопередача и разогрев рабочего тела внутри теплообменного цилиндра (6).
Важное условие это то, что нагреватель-теплоприемник не должен контактировать с поверхностью тела контактирующего с охладителем, т.е. между этими поверхностями не должно быть никакого контакта. Для этого они должны быть разделены материалом с очень низкой теплопроводностью для предотвращения теплообмена и выравнивания температуры между нагревающей и охлаждающей поверхностями. Таким материалом может быть, например композит, пластмасса и т.д.
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 от 0,5-1,5 градуса Цельсия.
Двигатель Стирлинга типа гамма состоит из двух цилиндров (см. фиг. 2).
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. Дисплейсер-вытеснитель может быть выполнен из композиционных материалов, пластмасс, эластомеров и. т.д.
Малый цилиндр 1 является рабочим. Поршень рабочего цилиндра 3 плотно подогнан к рабочему цилиндру 1. Поршень рабочего цилиндра может быть выполнен из графита, композитных материалов, металлов и т.д.
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 (рабочего тела) 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.
Изменения объема в этих двух полостях не должны совпадать по фазе, а получившиеся в результате циклические изменения суммарного объема в свою очередь не должны совпадать по фазе с циклическим изменением давления.
Весь цикл условно разделен на четыре такта (фиг. 3-6). 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.3-6.
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. 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.
Нагреватель-теплоприемник не должен контактировать с поверхностью тела контактирующего с охладителем, то есть они должны быть разделены материалом с очень низкой теплопроводностью, например композит, пластмасса и т.д., и между ними не должно быть никакого контакта.
Передаточный механизм служит для преобразования и передачи вращательного, возвратно-поступательного движения поступающего с двигателя Стирлинга во вращение. Для увеличения оборотов вращения используется повышающий редуктор, 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.
Электроэнергия вырабатываемая генератором передается на аккумулятор и постоянного его подзаряжает/заряжает. В качестве химического аккумулятора могут применяться любые химические аккумуляторы отвечающие такому требованию как стойкость к перезарядке, к частой подзарядке и возможность заряжаться от малого напряжения, например литий-ионные, никель-металл-гидридные и т.п.
В некоторых вариантах автономного самозаряжающегося источника питания, при временном отсутствии работы двигателя Стирлинга, вызванного временным отсутствием разности температур, 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 полезной модели прямой подачей вращения с передаточного механизма на генератор.
Возможна работа полезной модели с прямой подачей возвратно-поступательного движения на генератор работающего от возвратно-поступательного движения.
Возможно выполнение автономного самозаряжающегося источника питания для электронных приборов, контактирующих с телом человека, как непосредственно составляющий объект прибора, так и отдельное самостоятельное зарядное устройство.
Возможна реализация устройства таким образом, что вместо генератора электрического тока механическое воздействие от двигателя Стирлинга подается напрямую на аккумуляторы, которые непосредственно преобразуют механическую энергию в химическую, то есть на аккумуляторы электрической энергии, заряжаемые механическим путем.
Возможно оснащение автономного самозаряжающегося источника питания дополнительным, вспомогательным теплоприемным материалом для лучшего сбора тепловой энергии от тела человека.
Электронный прибор должен быть носимым на теле человека и может быть базовым, серийно выпускаемым, как в стандартном исполнении, так и с дополнительной доработкой. Это может быть, в частности, коммуникатор либо смартфон, либо так называемые «умные часы», выполненные в виде компьютера и которые можно носить на руке, пристегнув обычным браслетом от часов. Также в качестве носимого электронного прибора используются очки со встроенным компьютером, которые могут показывать время, температуру воздуха и использоваться как GPS навигатор и т.д. Также устройство, которое возможно носить на теле может быть выполнено в виде микрочипа, датчика и т.д.
Все перечисленные устройства приведены здесь в качестве примера использования автономного самозаряжающегося источника питания и ни в коей мере не ограничивают область его применения.
Автономный самозаряжающийся источник питания может быть выполнен как внутри электронного прибора, носимого на теле, так и на его поверхности.
Принцип работы автономного самозаряжающегося источника питания электронного устройства, контактирующего с телом человека, 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 подается на химический аккумулятор.
Таким образом обеспечивается достижение требуемого технического результата, а именно достигается технический результат, который заключается в получении электрического тока и накопление электрической энергии для постоянной автономной самозарядки источника питания для электронных приборов, контактирующих с человеческим телом, посредством преобразования тепловой энергии вырабатываемой человеческим телом, т.е. использования разности температур относительно тела человека и окружающего пространства. Кроме этого достигается технический результат, который заключается в увеличении автономности работы носимого на теле человека электронного устройства, которое достигается за счет обеспечения бесперебойного, постоянного стабильного напряжения питания, которое в свою очередь достигается при использовании автономного самозаряжающегося источника питания, использующего тепловую энергию, выделяемую телом человека для функционирования теплового двигателя Стирлинга и последующей передачей механической энергии на генератор, который вырабатывает электрический ток и в свою очередь заряжает аккумулятор. Также обеспечивается существенное увеличение времени работы устройства без использования внешних источников электрической энергии (электрическая сеть), т.е. при эксплуатации электронное устройство практически не нуждается в подзарядке от внешних стандартных источников питания. Кроме этого повышается надежность и долговечность работы электронного устройства, контактирующего с телом человека при использовании автономного самозаряжающегося источника питания, за счет исключения полной разрядки аккумулятора.
Учитывая новизну совокупности существенных признаков, техническую осуществимость и промышленную применимость полезной модели, решение поставленных задач и уверенное достижение требуемого технического результата при реализации и использовании полезной модели, по нашему мнению, заявленная группа полезных моделей удовлетворяет всем требованиям охраноспособности, предъявляемым к полезной модели.
Проведенный анализ показывает также, что все общие и частные признаки полезной модели являются существенными, так как каждый из них необходим, а все вместе они не только достаточны для достижения цели полезной модели, но и позволяют реализовать полезную модель промышленным способом.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:
1. Ju Y, Maruta K, Microscale combustion: Technology development and fundamental research, Progress in Energy and Combustion Science (2011), doi:10.1016/j.pecs.2011.03.001, p. 1-47/
2. http://www.membrana.ru/particle/9981
3. Т.И. Трофимова. Курс физики: учебное пособие для вузов. 11-е изд., степр. - М.: Издательский центр «академия», 2006. Стр. 465-467.
4. P.A. Segalman, (510) 642-7998 and A. Majumdar (510) 643-8199, Materials Sciences Division (510) 486-4755, Berkeley Lab. Pramod Reddy, Sung-Yeon Jang, Rachel Segalman and Arun Majumdar, ”Thermoelectricity in Molecular Junctions,” Science 315, 1568 (2007).
5. CN 202425613 U, SIYE LU, опубл. 12.09.2012.
6. RU 2494523 C2, Милашенко А.Ф., опубл. 27.09.2013.
7. Уокер Г. Машины, работающие по циклу Стирлинга. пер. с англ. М. Энергия 1978 г.