ЛИНЕЙНЫЙ ПРИВОД
LINEAR DRIVE

Изобретение относится к приводной технике и может быть использовано при создании термосорбционных приводов.
Известен двухкамерный термосорбционный линейный привод, в котором камеры выполнены в виде установленных враспор сильфонов, герметично связанных между собой изолирующей перегородкой с индивидуальными газовыми каналами, соединяющими каждую из камер с соответствующим генератором-сорбером (см. Ивлев В.И., Бозров В.М. Термосорбционные приводы линейного и поворотного принципа действия// Приводная техника, №4, 2010, с.20-24). Каждый из генераторов-сорберов расположен снаружи сильфона и заполнен порошкообразным металлогидридом с аккумулированным водородом, взаимодействующим с электрическим нагревателем. Наружные торцы сильфонов герметично закрыты крышками, жестко связанными друг с другом тягами, обеспечивающими их линейные перемещения относительно неподвижной изолирующей перегородки. При включении электрического нагревателя одного из генератора-сорбера электрический нагреватель второго отключается. При этом в результате нагрева порошкообразного металлогидрида происходит десорбция водорода, рост давления в камере соответствующего сильфона и его растяжение. Водород, находящийся в смежной камере второго сильфона, сжимается и сорбируется порошкообразным металлогидридом соответствующего генератора-сорбера. При этом выделяющаяся теплота сорбции отводится через корпус в окружающую среду. После достижения крайнего или другого заданного положения производится переключение питания генераторов-сорберов и привод начинает движение в обратном направлении. Недостатками известного устройства являются: сложность конструкции из-за индивидуальных кабелей электропитания и газовых каналов для каждого из генераторов-сорберов и наличия их герметичных корпусов; низкая эффективность пассивного охлаждения, используемого для отвода теплоты сорбции, снижающая быстродействие привода и его рабочее усилие; снижение надежности из-за наличия удвоенного количества кабелей электропитания и возможных утечек водорода через внешние газовые каналы в местах их соединения с корпусами генераторов-сорберов и изолирующей перегородкой; увеличенные габариты и масса привода вследствие наружного расположения генераторов-сорберов, имеющих индивидуальные герметичные корпуса, внешние газовые каналы и удвоенное количество кабелей электропитания, а также наличие тяг и развитых фланцев крышек сильфонов для их крепления.
Известен принятый за прототип двухкамерный термосорбционный линейный привод (см. патент US 6128904, МПК F01K 25/06, 10.10.2000), в котором камеры образованы герметичным поршнем, установленным внутри цилиндра и герметичными торцевыми крышками. Вблизи торцевых крышек расположены герметичные внешние газовые каналы, соединяющие камеры с генераторами-сорберами, заполненными порошкообразным металлогидридом с аккумулированным водородом и имеющим тепловой контакт с теплопередающими поверхностями общего термоэлектрического модуля, использующего эффект Пельтье. Генераторы-сорберы заключены в единый корпус внутренний объем которого герметично разделен термоэлектрическим модулем. Газовые каналы соединены с генераторами-сорберами через защитные фильтры. Поршень привода связан со штоком, герметично выходящим наружу через торцевую крышку. Работает термосорбционный линейный привод следующим образом. При включении термоэлектрического модуля происходит нагрев одной из его теплопередающих поверхностей и охлаждение другой. Находящийся в тепловом контакте с теплопередающей поверхностью горячего спая порошкообразный металлогидрид одного из генераторов-сорберов нагревается и происходит процесс десорбции водорода, который через газовый канал поступает в соответствующую камеру и давление в ней повышается. С другой стороны, порошкообразный металлогидрид второго генератора-сорбера, находящийся в тепловом контакте с теплопередающей поверхностью холодного спая, охлаждается и происходит процесс сорбции водорода из второй камеры и давление в ней понижается. В результате разности давлений в камерах происходит перемещение поршня со штоком внутри цилиндра в направлении от камеры с высоким давлением к камере с низким давлением с передачей рабочего усилия внешним исполнительным органам. После достижения крайнего или другого заданного положения производится переключение полярности питания термоэлектрического модуля и поршень со штоком начинает движение в обратном направлении. В патенте указывается на возможность выполнения камер в виде эластичных баллонов, сильфонов, диафрагм и т.д. Недостатками известного устройства являются: сложность конструкции из-за индивидуальных газовых каналов для каждого из генераторов-сорберов и наличия их герметичных индивидуальных корпусов; снижение надежности из-за возможных утечек водорода через внешние газовые каналы в местах их соединения с корпусами генераторов-сорберов и цилиндром; увеличенные габариты и масса привода вследствие наружного расположения генераторов-сорберов, имеющих индивидуальные герметичные корпуса, внешние газовые каналы, а также наличие дополнительных тепловых потерь из-за внешнего расположения газовых каналов и корпусов генераторов-сорберов.
Ожидаемый технический результат изобретения - повышение надежности, уменьшение значений габаритно-массовых характеристик и упрощение конструкции термосорбционного линейного привода.
Это достигается тем, что в линейном приводе, содержащем не менее двух камер, сообщающихся через защитные фильтры с корпусами блока генераторов-сорберов, заполненных активированным металлогидридным порошком, контактирующим с теплопередающими поверхностями термоэлектрического модуля, герметично установленного между камерами генераторов-сорберов и выполненного в виде термоэлектрического нагревателя-холодильника, имеющего возможность переключения полярности кабелей электропитания, блок генераторов-сорберов выполнен в виде герметичного поршня со штоком, подвижно установленного внутри цилиндра, при этом кабели электропитания термоэлектрического модуля герметично выведены наружу цилиндра через шток поршня.
Во втором варианте исполнения ожидаемый технический результат достигается тем, что линейный привод, содержащий не менее двух камер, сообщающихся через защитные фильтры с корпусами блока генераторов-сорберов, заполненных активированным металлогидридным порошком, контактирующим с теплопередающими поверхностями термоэлектрического модуля, герметично установленного между камерами генераторов-сорберов и выполненного в виде термоэлектрического нагревателя-холодильника, имеющего возможность переключения полярности кабелей электропитания, отличается тем, что блок генераторов-сорберов выполнен в виде герметичного поршня с магнитным кольцом, подвижно установленного внутри цилиндра из немагнитного материала, например из алюминиевого сплава, снаружи которого установлена подвижная в осевом направлении втулка с внутренним магнитным кольцом, взаимодействующим с магнитным кольцом поршня, при этом кабели электропитания свернуты в спираль, установленную между поршнем и одной из торцевых крышек цилиндра, одни концы которой соединены с термоэлектрическим модулем, а другие - герметично выведены наружу цилиндра через торцевую крышку.
В третьем варианте исполнения ожидаемый технический результат достигается тем, что линейный привод, содержащий не менее двух камер, сообщающихся через защитные фильтры с корпусами блока генераторов-сорберов, заполненных активированным металлогидридным порошком, контактирующим с теплопередающими поверхностями термоэлектрического модуля, герметично установленного между камерами генераторов-сорберов и выполненного в виде термоэлектрического нагревателя-холодильника, имеющего возможность переключения полярности кабелей электропитания, отличается тем, что камеры выполнены в виде установленных враспор сильфонов, одни из торцов которых герметично соединены друг с другом через блок генераторов-сорберов, а другие - герметично закрыты крышками. При этом внешние торцы сильфонов могут быть выполнены свободными.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 схематически изображен линейный привод в виде цилиндра с поршнем, связанным со штоком, на фиг.2 - линейный привод в виде цилиндра с поршнем, имеющего магнитную связь с подвижной наружной втулкой, на фиг.3 - линейный привод в виде установленных враспор двух сильфонов, на фиг.4 - линейный привод в виде двух сильфонов со свободными концами.
В первом варианте исполнения линейный привод выполнен в виде цилиндра 1 с герметичными крышками 2, 3, внутри которого установлен подвижный поршень 4 с герметичным уплотнением, совмещенный с блоком генераторов-сорберов, кабели электропитания 5, 6 которого герметично проложены внутри штока 7, связанного с поршнем 4, и выходят наружу цилиндра 1 к системе управления с источником питания (на фиг.1 не показана). Шток 7 выходит наружу цилиндра 1 через крышку 3 с герметичным уплотнением. При этом блок генераторов-сорберов выполнен в виде корпуса с камерами генераторов-сорберов 8, 9, герметично разделенными термоэлектрическим модулем 10 и сообщающимися через защитные фильтры 11, 12 и перфорированные крышки 13, 14 с камерами 15, 16 цилиндра 1. Термоэлектрический модуль 10 выполнен в виде термоэлектрического нагревателя-холодильника, имеющего возможность переключения полярности кабелей электропитания 5, 6 (цепь электропитания и устройство коммутации условно не показаны). Ветви полупроводниковых термопар 17 и связанные с ними медные столбики 18 соединены коммутационными пластинами 19. Между ветвями полупроводниковых термопар 17 с медными столбиками 18 размещена теплоизоляция 20. Активированный металлогидридный порошок 21 расположен в пространстве между теплопередающими поверхностями радиаторов 22, 23 и поверхностями защитных фильтров 11, 12, образующих каналы, обеспечивающие через отверстия в перфорированных крышках 13, 14 непосредственное сообщение камер генераторов-сорберов 8, 9 с камерами 15, 16 цилиндра 1. При этом радиаторы 22, 23 установлены соответственно на горячих и холодных спаях через электроизоляционные слои 24, а прижатием защитных фильтров 11, 12 обеспечивается их тепловой контакт с активированным металлогидридным порошком.
Конструктивно термоэлектрический модуль 10 может быть выполнен аналогично нагревателю-холодильнику, описанному в «Способе регулирования двигателя Стирлинга и устройстве для его осуществления» (Патент РФ №2328611, опубл. в Бюл. №19, 10.07.2008). Однако в отличие от известного устройства термоэлектрический модуль выполнен двухсторонним и взаимодействует с двумя генераторами-сорберами 8, 9 одновременно.
5
В качестве активированного металлогидридного порошка может быть использованы гидриды интерметаллических соединений, например гидриды интерметаллидов LaNi, FeTi или MgNi (Кремнев Р.С., Карягин В.П., Балыбердин В.В., Клевцов А.А. Аэростаты в атмосфере Венеры. Киев: Наукова Думка, 1985, с.84-86). При использовании в качестве рабочего тела гелия в качестве сорбента может быть применен активированный уголь (Кремнев Р.С., Карягин В.П., Балыбердин В.В., Клевцов А.А. Аэростаты в атмосфере Венеры. Киев: Наукова Думка, 1985, с.86-87).
Работает устройство следующим образом. При включении термоэлектрического модуля 10 (фиг.1) через кабели электропитания 5, происходит нагрев теплопередающей поверхности радиатора 22 и охлаждение теплопередающей поверхности радиатора 23. При этом радиатор 22 оказывается в тепловом контакте с горячими спаями, а радиатор 23 - с холодными. Активированный металлогидридный порошок 21 в генераторе-сорбере 8 нагревается, а в генераторе-сорбере 9 - охлаждается. В результате в генераторе-сорбере 8 происходит процесс десорбции водорода, который через защитный фильтр 11, каналы и перфорированную крышку 13 поступает в камеру 15 цилиндра 1. Одновременно в результате охлаждения металлогидридного порошка 21 в генераторе-сорбере 9 происходит процесс сорбции водорода, который через перфорированную крышку 14, каналы и защитный фильтр 12 поглощается из камеры 16 цилиндра 1. В результате одновременного протекания процессов десорбции и сорбции водорода давление водорода в камере 15 повышается, а в камере 16 - понижается и герметично уплотненный поршень 4 со штоком 7 перемещается в сторону камеры 16 с более низким давлением. Перемещение штока 7 в обратном направлении достигается переключением полярности кабелей питания 5, 6. При этом происходит одновременный нагрев активированного металлогидридного порошка 21 в генераторе-сорбере 9 и охлаждение в генераторе-сорбере 8. В результате поршень 4 со штоком 7 перемещается в обратном направлении.
Во втором варианте исполнения (фиг.2) линейный привод выполнен в виде цилиндра 1 из немагнитного материала, например из алюминиевого сплава, с герметичными крышками 2, 25, внутри которого установлен подвижный поршень 26 с герметичными центрирующими уплотнениями и магнитным кольцом 27. Поршень 26 выполнен аналогично поршню 4 линейного привода первого варианта исполнения (фиг.1) и также делит цилиндр 1 на изолированные друг от друга камеры 15, 16. Для передачи движения от поршня 26 к внешним устройствам, расположенным снаружи цилиндра 1, установлена подвижная в осевом направлении втулка 28 с внутренним магнитным кольцом 29, взаимодействующим с магнитным кольцом 27 поршня 26, при этом кабели электропитания 5, 6 свернуты в спираль, установленную между поршнем 26 и одной из торцевых крышек цилиндра, например крышкой 25. При этом одни концы кабелей электропитания 5, 6 соединены с термоэлектрическим модулем 10, а другие - герметично выведены наружу цилиндра 1 через торцевую крышку 25.
Работает устройство аналогично устройству первого варианта исполнения. Отличие заключается в том, что передача движения от поршня 26 к внешним устройствам или объектам осуществляется через кинематическую связь (на фиг.2 не показана) с установленной снаружи цилиндра 1 втулкой 28 с магнитным кольцом 29, взаимодействующим с магнитным кольцом 27 поршня 26. Достоинством устройства по сравнению с первым вариантом исполнения является более высокая степень герметичности цилиндра 1 за счет исключения из устройства штока поршня 7 с уплотнением (фиг.1). Недостаток - более низкий диапазон передаваемых усилий от поршня к внешним устройствам.
В третьем варианте исполнения линейного привода (фиг.3) блок генераторов-сорберов с термоэлектрическим модулем 10 выполнен аналогичным блоку первого варианта исполнения за исключением штока и наружного герметичного уплотнения. Камеры 15, 16 линейного привода выполнены в виде сильфонов 30, одни из торцов которых герметично соединены с камерами генераторов-сорберов 8, 9, а другие - герметично закрыты крышками 31. При этом внешние торцы сильфонов 30 могут быть установлены враспор (фиг.3) или оставаться свободными (фиг.4).
Работает устройство аналогично устройству первого варианта исполнения. В случае расположения сильфонов 30 враспор крышки 31 остаются неподвижными, а корпус блока генераторов-сорберов с термоэлектрическим модулем 10 совершает возвратно-поступательное перемещение вдоль продольной оси линейного привода и кинематически связан с внешним устройством или объектом (на фиг.3 не показаны). При включении термоэлектрического модуля 10 (фиг.1) через кабели электропитания 5, 6 происходит нагрев теплопередающей поверхности радиатора 22 и охлаждение теплопередающей поверхности радиатора 23. При этом радиатор 22 оказывается в тепловом контакте с горячими спаями, а радиатор 23 - с холодными. Активированный металлогидридный порошок 21 в генераторе-сорбере 8 нагревается, а в генераторе-сорбере 9 - охлаждается. В результате в генераторе-сорбере 8 происходит процесс десорбции водорода, который через защитный фильтр 11, каналы и перфорированную крышку 13 поступает в камеру 15 сильфона 30. Одновременно в результате охлаждения металлогидридного порошка 21 в генераторе-сорбере 9 происходит процесс сорбции водорода, который через перфорированную крышку 14, каналы и защитный фильтр 12 поглощается из камеры 16 сильфона 30. В результате одновременного протекания процессов десорбции и сорбции водорода давление водорода в камере 15 повышается, а в камере 16 - понижается. При этом сильфон 30 с камерой 15 растягивается, а сильфон 30 с камерой 16 сжимается, что приводит к перемещению корпуса блока генераторов-сорберов с термоэлектрическим модулем 10, который кинематически связан с внешним устройством или объектом (на фиг.3 не показаны) вдоль продольной оси линейного привода в сторону камеры 16 с более низким давлением. Перемещение в обратном направлении достигается переключением полярности кабелей питания 5, 6. При этом происходит одновременный нагрев активированного металлогидридного порошка 21 в генераторе-сорбере 9 и охлаждение в генераторе-сорбере 8. Достоинством устройства по сравнению с первым и вторым вариантами исполнения является более высокая степень герметичной изолированности камер 15, 16 друг от друга, а по сравнению с первым вариантом -более высокая герметичность камер 15, 16 за счет исключения возможных утечек и перетекания водорода через подвижные уплотнения. Устройство по сравнению со вторым вариантом способно передавать более высокий диапазон усилий к внешним устройствам или объектам. Недостаток - потери линейного привода на преодоление упругих сил при растяжении сильфонов.
Линейный привод в виде установленных враспор двух сильфонов может быть использован, например, в «Устройстве угловой стабилизации подвешенного объекта на транспортном средстве» (Патент РФ №2181683, опубл. в Бюл. №12, 27.04.2002) вместо пневмопривода двойного действия, что позволит исключить из состава устройства компрессор с пневмораспределительным устройством и пневмопроводами и, как следствие, уменьшить габаритно-массовые характеристики и повысить надежность работы.
Линейный привод в виде двух сильфонов со свободными концами может быть использован, например, в устройстве для перемещения в трубах малого диаметра, описанном в кн. В.Г.Градецкого, В.Б.Вешникова, С.В.Калиниченко, Л.Н.Кравчука «Управляемое движение мобильных роботов по произвольно ориентированным в пространстве поверхностям», Москва «Наука», 2001, с.299-300, рис.8.1.2. Для этого достаточно равномерно установить по окружности крышек 31 и корпуса блока генераторов-сорберов с термоэлектрическим модулем 10 упругие элементы 32, наклоненные в сторону, противоположную перемещению в трубе 33 (Фиг.4). При этом диаметры окружностей, описанных по вершинам упругих элементов 32 должны превышать внутренний диаметр трубы 33, обеспечивая прижим упругих элементов 32 к внутренней поверхности трубы 33 и центровку в ней линейного привода. Поочередное растягивание и сжатие сильфонов 30 обеспечивает линейное перемещение устройства внутри трубы 33.
5
При использовании в качестве рабочего тела водорода в качестве сорбента применяют интерметаллиды, например LaNi, FeTi или MgNi, образующих при соединении с водородом (процесс сорбции) соответствующие гидриды.
5
5
5
6,7
-6
Для водородных генераторов-сорберов (системы типа сорбер-десорбер) требуются гидриды с особыми сорбционно-десорбционными характеристиками, для которых реакция с водородом обратима и протекает достаточно быстро при технологически допустимых давлениях и температурах. Наиболее приемлемым для аккумулирования водорода является интерметаллид LaNi, поскольку он сочетает в себе достаточно высокую сорбционную способность и давления перехода (примерно 2 МПа при Т=298К). Количество водорода, поглощаемого LaNi, соответствует составу гидрида LaNiH. Для быстрого поглощения максимального количества водорода интерметаллид должен применяться в виде активированного порошка с хорошо развитой поверхностью. Процесс активации достаточно длителен и требует выдержки образца в водороде при давлении в несколько мегапаскалей с последующей дегазацией динамическим вакуумом. При такой обработке материал разрушается, превращаясь в порошок с размером частиц (5-К7)×10 м. При этом чем чище поверхность материала, тем больше скорость сорбции водорода: при сорбции интерметаллид разогревается и его необходимо охлаждать, при десорбции, наоборот, следует подогревать (Кремнев Р.С, Карягин В.П., Балыбердин В.В., Клевцов А.А. Аэростаты в атмосфере Венеры. Киев: Наукова Думка, 1985, с.84-86).
При использовании в качестве рабочего тела гелия в качестве сорбента могут быть применены различные сорта активированного угля, например: СКТ, БАУ, УУТ-2, отличающиеся высоким отношением площади поверхности к массе (Кремнев Р.С., Карягин В.П., Балыбердин В.В., Клевцов А.А. Аэростаты в атмосфере Венеры. Киев: Наукова Думка, 1985, с.86-87).
Процесс выделения и поглощения рабочего тела - водорода - повторяется необходимое количество раз. В результате достигается легко управляемая схема перемещениями линейного привода, при этом управляемое изменение давлений в камерах 15, 16 позволяет осуществлять изменение усилия линейного перемещения.
Предлагаемые варианты линейных приводов не требуют использования громоздких и энергоемких источников сжатого газа (компрессоры, баллонеты) с газораспределительными устройствами и газопроводами способны работать от миниатюрных источников электропитания, например от аккумуляторов. Благодаря этому качеству они могут использоваться как автономные переносные линейные приводы. При этом первый и третий варианты исполнений могут быть использованы в качестве домкратов при проведении спасательных или монтажных работ в труднодоступных местах.