УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ТЕПЛОВОГО АВТОМАТИЧЕСКОГО ЗАВОДА ЧАСОВ И ЧАСОВОГО МЕХАНИЗМА
APPARATUS AND METHOD FOR THERMAL AUTOMATIC WINDING OF CLOCK AND CLOCK MECHANISM

Область техники
Изобретение относится к области часовой промышленности и может быть использовано при производстве механических часов с автоматическим заводом механического аккумулятора часового механизма.
Уровень техники
Распространенные в настоящее время механические часы обычно содержат: механический аккумулятор; механизм завода и перевода стрелок (на языке часовщиков - ремонтуар); спусковой механизм (на языке часовщиков - спуск, ход), преобразующий непрерывное вращательное движение в колебательное или возвратно-поступательное движение; колебательную систему в виде маятника или балансира (баланса); систему зубчатых колес или шестеренок, соединяющую пружинный двигатель и спусковой механизм, (на языке часовщиков - ангренаж); стрелочный механизм и циферблат [1].
Механический аккумулятор, применяемый в часовой промышленности, может быть выполнен в виде пружинного, гидравлического, резинового, пневматического, гиревого или маховичного механического аккумулятора.
Одним из видов широко применяемого механического аккумулятора в часовой промышленности является пружинный двигатель на основе спиральной пружины, который обычно представляет собой прикрепленную к валу спиральную пружину, размещенную в цилиндрическом барабане с зубчатым краем. Раскручиваясь вокруг оси, спиральная пружина вращает барабан (внутри которого она находится), а его зубчатый край вращает через него систему колес. При заводе часов вращением заводной головки через зубчатую передачу вращают соединенный с пружиной вал, на который, сжимаясь, наматывается спиральная пружина [1].
Главным недостатком пружинного двигателя на основе спиральных пружин является неравномерность скорости раскручивания пружины, что приводит к неточности хода часов. Каждая спиральная пружина в ходе своего разматывания изменяет свою приводную силу. Для устранения этого недостатка применяли и применяют различные способы: исключение в работе пружины ее начальной и конечной фазы путем использования кулачковых механизмов, из которых наиболее известны мальтийский механизм, кольцевидные и пальцевые кулачковые механизмы.
Изменчивость приводной силы можно также ограничивать удлинением пружины и увеличением запаса ее энергии. Однако удлинение пружины идет за счет ее толщины, что требует увеличения ее размеров, а для тонких пружин требуются специальные сплавы, лучше выдерживающие нагрузку и усталость, но они дороги и сложны в изготовлении.
Таким образом, главным недостатком пружинного двигателя на основе спиральных пружин является неравномерность скорости раскручивания спиральной пружины, что приводит к неточности хода часов. Поэтому для механических часов считается нормой расхождение с точным временем на 15-45 секунд в сутки, а лучшим результатом - 4-5 секунд в сутки.
В настоящее время, например, в наручных часах, широко используются механические часы с автоматическим подзаводом пружины (с автоподзаводом). Часы с автоподзаводом более точны, так как энергия пружины в течение дня остается почти постоянной, что приводит к постоянной величине импульса, передаваемого на регулятор-баланс [3].
По своим конструктивным особенностям механизмы автоподзавода различаются, но все известные конструкции наручных часов имеют инерционный сектор, или подвижный груз, который при вращении часов оборачивается или качается вокруг своей оси и посредством силы тяжести передает пружине двигателя дополнительную энергию. Инерционный сектор обычно имеет достаточно большой вес, для того чтобы преодолеть силу сопротивления заводной пружины, поэтому и его крепление к механизму часов должно быть достаточно прочным и надежным.
В известных часах с исправным автоподзаводом пружина должна подзаводиться при повороте инерционного сектора в любую сторону. Если пружина заводится только при повороте инерционного сектора в одну сторону, это приводит к тому, что пружина не полностью подзаводится и часы останавливаются. Сектор автоподзавода наручных часов при этом вращается при любых движениях руки человека, независимо от того, насколько заведена пружина часов. Для того чтобы пружина не порвалась от чрезмерного перенапряжения, она обычно имеет фрикционное крепление к барабану, посредством которого, достигнув максимального значения, пружина проскальзывает в барабане на два-три оборота, что дает возможность автоподзаводу постоянно работать и избегать его поломки.
Часы с автоподзаводом обычно имеют закрепленный на оси металлический груз, обычно выполненный в форме сектора. Центр тяжести сектора смещен к краю, и при любых движениях руки он поворачивается вокруг оси, заводя через систему шестерен пружину часов. Чтобы сектор мог преодолеть сопротивление пружины и завести часы, он должен обладать большой инерцией. Поэтому сектор обычно изготавливают из двух частей: тонкой легкой верхней пластины и полукольца из тяжелого вольфрамового сплава. Диаметр сектора стараются сделать максимально возможным.
Считается, что для полного автоматического завода пружины часы с автоподзаводом необходимо носить с движениями около 8 часов.
Недостатками механизмов автоподзавода являются значительный вес, конструктивная сложность и повышенная вероятность поломок. Часы с автоподзаводом толще и тяжелее обычных. Потребность в секторе большого размера ограничивает применение автоподзавода в женских часах. Усложнение механизма и использование груза из довольно дорогого вольфрама увеличивает стоимость часов. Кроме этого известные часы с автоподзаводом очень чувствительны к ударам. При сильных ударах под тяжестью грузового сектора ломаются его опоры.
Также известны механизмы автоподзавода («автоматического» завода), в котором качающийся неуравновешенный груз (грузовой сектор) осуществляет закручивание (завод) пружины пружинного двигателя, в которых неуравновешенный груз (ротор) жестко соединен с трибом и свободно движется на оси в обоих направлениях или в которых триб постоянно сцеплен с зубчатым колесом обгонной муфты. В зависимости от направления вращения грузового сектора зубчатое колесо получает вращение в одном и том же направлении и при этом происходит подкручивание пружины [4].
Известен механизм автоподзавода в виде инерционной массы, перемещающейся при изменении часов, отличающийся тем, что с целью возможности использования автоподзавода в сочетании с любым базовым элементом без его утолщения применено тяжелое полукольцо, размещенное по периметру механизма внутри корпусного кольца и удерживаемое в названном кольце с помощью трех роликов. При этом для передачи вращения груза на заводной вал пружины инерционный груз снабжен кольцом, внутренняя поверхность которого выполнена рифленой для взаимодействия с роликом, установленным на конце рычага, снабженного собачкой для перемещения храповика на заводном валу [5].
Недостатком известных механизмов автоподзавода является то, что они могут быть использованы только в переносных часах, например наручных часах, в которых по условиям эксплуатации возможно возникновение качательного движение ротора. Кроме этого основным недостатков всех известных механических часов с автоподзаводом для правильной работы механизма автоподзавода является необходимость активного подвижного образа жизни пользователя часов. Кроме этого, часы с автоподзаводом имеют значительный вес и очень чувствительны к ударам. При этом обеспечение постоянного крутящегося момента пружины возможно только при воздействии пользователя (встряска часов). Таким образом, при недостаточном воздействии или при отсутствии воздействия на часы, они перестают работать.
Известны настольные часы Атмос с крутильным маятником, выпускаемые фирмой «Jaeger-le Coultre» (Швейцария) и работающие от изменения во времени температуры и атмосферного давления. [6].
Источником энергии, поддерживающим колебания маятника в данных часах, служит перепад температуры окружающей среды воздуха в квартире или служебном помещении. Перепад температур в 1° обеспечивает функционирование часов в течение 2 суток. Часы функционируют с высокой степенью точности порядка 1 с в сутки. При отсутствии колебаний температуры окружающего воздуха в течение 2 суток (что мало вероятно) часы автономно функционируют в течение 100 суток за счет запаса энергии заводной пружины, заключенной в барабане.
Колебания температуры служат энергией подзавода пружины, которая работает в коротком интервале пологой кривой момента, обеспечивая тем самым высокую стабильность амплитуды колебаний и высокую степень точности хода.
2
5
Для использования колебания температуры воздуха на подзавод пружины используют особое химическое вещество CHCl - хлористый этил. Пары хлористого этила создают давление, равное примерно атмосферному при температуре +12°C, при температуре +27°C давление паров максимальное, т.е. часы работают в широком диапазоне температур.
Хлористый этил помещают в герметический металлический корпус, имеющий форму короткого цилиндра. Хлористый этил заполняет внутренние кольцевые выступы в корпусе. При повышении температуры пары этила расширяются и давят на кольцевые выступы. Последние расширяются подобно мехам. Движение кольцевых выступов передается цепочке, которая одним концом прикреплена к пружине, а другим - к храповому устройству, осуществляющему непосредственно подзавод пружины в барабане.
При понижении температуры происходит сжатие кольцевых выступов. За счет разности температур и перемещения в ту или другую сторону кольцевых выступов, а вместе с ними пружины и цепочки, происходит подзавод пружины в барабане.
Для регулирования периода колебания маятника имеется головка, полный оборот которой соответствует изменению периода колебаний на 10 с в сутки. Часы регулируются с точностью 1 с в сутки. Часы работают только в стационарном положении, чувствительны к вибрациям. Они снабжены водяным уровнем и тремя установочными стойками, из которых одна неподвижна, а две другие регулируются по высоте. Для переноски часов маятник блокируется специальным устройством.
Недостатком этих часов, в частности его механизма автоматического привода, является то, что эти часы работают только в стационарном положении, т.к. не допускается использование часов в качестве переносных. Так как энергия, получаемая от изменения давления и температуры по времени, очень мала, то в результате очень большого периода колебаний - под влиянием внешних воздействий - как правило, они имеют очень сложную систему регулировки для обеспечения высокой точности хода. Кроме того, они требуют кропотливой и точной регулировки для обеспечения строго перпендикулярного плоскости Земли положения крутильного маятника.
Задача и технический результат
Задача предлагаемого изобретения состоит в разработке и практической реализации конструкции часов и часовых механизмов с автоматическим заводом механического аккумулятора часов с получением энергии для завода и подзавода механического аккумулятора от разности температур различных областей пространства.
Техническим результатом, получаемым при использовании изобретения, является
- обеспечение постоянного значения суточного хода часов и повышение точности часов за счет обеспечения постоянного значения крутящего момента пружинного двигателя, передаваемого на спусковой регулятор;
- обеспечение полной автономности работы часов при отсутствии внешнего воздействия пользователя посредством использования разности температур различных областей пространства;
- возможность использования механизма часов как в переносных, так и в стационарных часах.
Раскрытие изобретения
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат при использовании изобретения достигается тем, что устройство автоматического завода механического аккумулятора часового механизма содержит тепловой двигатель, выполненный с возможностью преобразования разницы температур в двух разных точках пространства в механическое движение, передающееся на механический аккумулятор часового механизма, причем такт работы двигателя задается часовым механизмом. При этом оно дополнительно содержит передаточный механизм. При этом такт работы теплового двигателя задается часовым механизмом через передаточный механизм. При этом механическая передача от теплового двигателя на механический аккумулятор осуществляется механизмом подзавода.
Также тепловой двигатель выполнен с возможностью преобразования разности температур у поверхности часов и температуры окружающей среды в движение часового механизма механических часов.
При этом механический аккумулятор выполнен в виде пружинного, гидравлического, пневматического, гиревого, маховичного или резинового механического аккумулятора. Также механический аккумулятор часового механизма может быть заведен при помощи заводной головки.
Кроме этого тепловой двигатель содержит, по меньшей мере, один механизм для преобразования изменения давления жидкости в механическую работу и, по меньшей мере, одну теплообменную емкость. Также тепловой двигатель содержит рабочее тело, заключенное в изолированном пространстве, и вытеснитель. При этом вытеснитель теплового двигателя совершает возвратно-поступательные движения, причем передача движения вытеснителю осуществляется передаточным механизмом от основной колесной системы часового механизма либо от механического аккумулятора часового механизма.
Также тепловой двигатель выполнен с возможностью нагревания рабочего тела теплового двигателя за счет нагревания теплопроводной стороны теплообменной емкости окружающим пространством.
Также тепловой двигатель выполнен с возможностью охлаждения рабочего тела теплового двигателя за счет отдачи тепла через теплопроводную поверхность окружающей среде и охлаждения поверхности теплообменной емкости окружающей средой.
Для интенсификации нагревания теплового двигателя теплопроводная сторона теплообменной емкости выполнена из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, например из алюминия, сплавов алюминия, меди, медного сплава, серебра, сплава серебра или сплавов золота.
Для интенсификации охлаждения на охлаждающей теплопроводной поверхности теплообменной емкости выполняют ребра, канавки или дополнительные элементы охлаждения.
Кроме этого 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, заднюю крышку или части задней крышки корпуса часов с расположенным между ними теплоизоляционным материалом с низким коэффициентом теплопроводности. Также тепловой двигатель выполнен таким образом, что теплопроводная сторона может выступать в качестве охладителя, в то время как охладитель может осуществлять функцию нагревания.
При этом тепловой двигатель выполнен с возможностью использования в нем в качестве рабочего тела жидкости с большим коэффициентом линейного расширения - этиловый спирт, метиловый спирт, ацетон, диэтиловый либо этиловый эфир, ртуть, галинстан.
Кроме этого тепловой двигатель выполнен с возможностью совместного функционирования с другими двигателями. Также тепловой двигатель выполнен с возможностью использования тепла, выделяемого электроникой, источниками света, нагревательными системами, отопительными системами, солнечного тепла, тепла тела человека.
При этом тепловой двигатель выполнен с возможностью охлаждения от поверхности, например, такой как стекло, стена, или от окружающей среды.
Механизм для преобразования изменения давления жидкости в механическую работу выполнен в виде рабочего цилиндра с рабочим поршнем, либо мембраны, либо сильфона, либо другого механизма.
При этом перемещение вытеснителя может производиться как плавно, так скачкообразно. Также перемещение вытеснителя можно осуществлять как напрямую, так и при помощи магнитов.
Поставленная задача решается, а требуемый результат при использовании изобретения достигается также тем, что часовой механизм для приведения в движение указателя или указателей времени содержит, по меньшей мере, один подвижный и, по меньшей мере, один неподвижный элементы и вышеуказанное устройство автоматического завода механического аккумулятора часового механизма. При этом часовой механизм может быть выполнен с возможностью использования теплового двигателя для приведения в действие вспомогательных механизмов или придачи действия декоративным элементам.
Поставленная задача решается, а требуемый результат при использовании изобретения достигается также тем, что механические часы содержат корпус и вышеуказанный часовой механизм для приведения в движение указателя или указателей времени.
Поставленная задача решается, а требуемый результат при использовании изобретения достигается также тем, что в способе автоматического приведения в движение подвижных элементов часового механизма для приведения в движение часового механизма используют тепловой двигатель, выполненный с возможностью преобразования разницы температур в двух разных точках пространства в механическое движение, передающееся на механический аккумулятор часового механизма, причем такт работы двигателя задают часовым механизмом.
Поставленная задача решается, а требуемый результат при использовании изобретения достигается также тем, что тепловой двигатель механических часов содержит механизм для превращения изменения давления жидкости в механическую работу, вытеснитель и, по меньшей мере, одну теплообменную емкость, в замкнутом пространстве которой рабочее тело совершает изменение своего объема вследствие попеременного охлаждения и нагрева, причем такт нагрева и охлаждения рабочего тела задается часовым механизмом механических часов
При этом тепловой двигатель выполнен с возможностью преобразования разности температур у поверхности часов и температуры окружающей среды в движение часового механизма механических часов.
Основные термины и определения
Для более точного пониманимания сущности изобретения здесь приводятся основные понятия, термины и определения, раскрытые в заявке.
Как известно механический аккумулятор аккумулирует энергию, необходимую для приведения в действие и поддержания действия часового механизма.
Механический аккумулятор может быть выполнен в виде пружинного, гидравлического, резинового, пневматического, гиревого или маховичного механического аккумулятора.
Для простоты объяснения назначения и конструкции механического аккумулятора, ниже приводится его частный случай - пружинный двигатель, как наиболее распространенный.
Принцип работы пружинного двигателя основан на накоплении энергии в пружине, при заводе и подзаводе пружины от механизма завода часов и перевода стрелок или механизмом подзавода, которая затем расходуется на приведение в действие часового механизма.
Как правило, пружинный двигатель содержит заводной вал, пружину и барабан.
Пружинный двигатель, как правило, выполнен с вращающимся барабаном и вращающимся валиком.
Возможен вариант выполнения пружинного двигателя с невращающимся барабаном и вращающимся валиком, а также с вращающимся барабаном и неподвижным валиком.
Заводная пружина может представлять собой плоскую стальную ленту спиральной или S-образной формы.
Как вариант исполнения, внешний виток пружины закреплен в барабане с помощью фрикционной накладки, для обеспечения проскальзывания внешнего витка пружины относительно барабана при полном заводе.
Пружинный двигатель может быть выполнен с возможностью передачи движения вытеснителю теплового двигателя через передаточный механизм.
Механизм завода часов и перевода стрелок позволяет вручную завести пружинный двигатель и установить стрелки в нужное положение. Этот механизм может состоять из заводной головки, заводного вала, системы рычагов и зубчатых колес.
Механизм завода часов и перевода стрелок, как правило, работает в двух положениях, в положении завода пружины и в положении перевода стрелок.
Как правило, основным положением механизма завода часов и перевода стрелок является положение завода и подзавода пружины.
В положении завода и подзавода пружины кулачковая муфта находится в положении зацепления с заводным трибом. Вращение заводной головки через кулачковую муфту вращает заводной триб, вращение которого подается на барабанное колесо и заводит пружину двигателя.
В положении перевода стрелок кулачковая муфта находится в зацеплении с переводным колесом. Вращение заводной головки через кулачковую муфту вращает переводное колесо, вращение с которого подается на вексельное колесо, вращающее стрелочный механизм.
Основная колесная система - передает через спуск энергию регулятору, а также отсчитывает число его колебаний и передает движение на стрелочный механизм.
Принцип работы основной колесной системы основан на передаче энергии от механического аккумулятора, через систему зубчатых колес, регулятору и отсчитывании числа его колебаний и передаче движения стрелочному механизму, а также может использоваться для передачи движения на передаточный механизм.
Основная колесная система может быть выполнена в следующих вариантах:
1. В варианте схемы, когда конструкция состоит из четырех зубчатых пар
1-ый триб центрального колеса и центральное колесо
2-ой триб промежуточного колеса и промежуточное колесо
3-ий триб секундного колеса и секундное колесо
4-ый триб анкерного колеса и анкерное колесо
2. В варианте схемы передачи с центральной секундной стрелкой.
По этой схеме вращение от механического аккумулятора передается на центральный триб, далее с центрального колеса на промежуточный триб и с промежуточного колеса на секундный триб, расположенный в центре механизма. С секундного колеса вращение передается на анкерный триб и далее с анкерного колеса, через анкерную вилку, на узел баланса.
Спусковой регулятор - спусковым регулятором часового механизма называется устройство, состоящее из осциллятора (баланса), 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.
Регулятор (баланс) устройства, которое задает такие промежутки времени в часовом механизме.
Во время поворота баланса в любую сторону в спирали нарастает напряжение, увеличивающееся прямо пропорционально углу поворота. После этого отпущенный баланс под воздействием спирали начнет обратное движение в положение равновесия. В таком положении нарастающее напряжение спирали исчезает, но баланс по закону инерции продолжает движение дальше на почти такой же угол, какой был до этого и продолжит рост напряжения в спирали. Время полного колебания (движения) баланса зависит от напряжения спирали, размера и массы самого баланса. Для постоянной работы колебательной системы необходимо в определенный промежуток времени «сдвигать» баланс этим давая ему энергетический толчок. Так же движение баланса нужно превращать в равномерное вращение стрелочной передачи. Для разрешения таких проблем служит определенное устройство, называемое спуском.
Спуск будучи частью часового механизма служит одновременно для двух определенных целей, превращения постоянных и неизменчивых колебаний баланса во вращение зубчатых колес с неизменной скоростью движения, включающую в себя так же стрелочную передачу и перемещение «энергии» от «двигателя» к балансу для продолжения его работы.
Данный ход помогает системе баланс-спираль руководить работой зубчатой передачи таким образом, что за один такт колебания баланса шестеренки перемещались под определенные углы.
Баланс основную часть времени перемещается «независимо» и не соприкасается с анкерной вилкой. Переходя в своем движении на исходную точку, он ударяет импульсным камнем по рожку и проворачивает анкерную вилку. От такого движения палета запирающая «зуб» анкерного колеса приподнимается и разблокирует его. В момент освобождения «зуба», анкерное колесо под воздействием пружины начинает проворачиваться и после этого уже «зуб» анкерного колеса сдвигает палету и приводит в движение анкерную вилку. Рожок анкерной вилки, догоняя импульсный камень, бьет по нему, передавая балансу добавочную энергию.
Стрелочный механизм является исполнительным устройством, которое передает движение от основной колесной системы стрелкам или иному средству индикации.
Принцип работы стандартного стрелочного механизма основан на передачи вращения от основной колесной системы трибу минутной стрелки и часовому колесу через систему зубчатых колес.
Передаточный механизм служит для передачи движения часового механизма вытеснителю теплового двигателя.
Передаточный механизм служит для преобразования движения часового механизма в движение вытеснителя.
Передаточный механизм может приводится в движение от механического аккумулятора часового механизма или основной колесной системы часового механизма.
Передаточный механизм может содержать элементы для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное движение вытеснителя, например шотландского механизма, кривошипно-шатунного механизма и т.д. Передаточный механизм может содержать элементы для преобразования вращательного движения в прерывистое, скачкообразное возвратно-поступательное движение вытеснителя, для обеспечения длительного нахождения вытеснителя у нагревателя или охладителя, например мальтийский механизм, грейферный механизм и т.д.
Передаточный механизм может содержать элементы для преобразования вращательного движения в винтовое движение вытеснителя.
Тепловой двигатель - устройство преобразования тепловой энергии в механическую.
Принцип работы теплового двигателя основан на попеременном нагреве и охлаждении заключенного в изолированном пространстве рабочего тела, которое осуществляется за счет смещения этого тела вытеснителем, перемещение которого осуществляется и задается часовым механизмом. При перемещении рабочего тела из области нагрева в область охлаждения и наоборот происходит изменение его объема, которое воздействует на рабочий поршень и перемещает его. Смещение рабочего поршня приводит в действие механизм подзавода. Помимо системы поршень-цилиндр в тепловом двигателе может использоваться любой вариант механизма для преобразования изменения давления жидкости в механическую работу.
Механизм автоматического завода/подзавода механического аккумулятора часового механизма - устройство передачи механического движения на механический аккумулятор.
Для простоты объяснения конструкции и принципа работы механизма подзавода, механический аккумулятор описывается выполненный в варианте пружинного двигателя.
Принцип работы механизма автоматического завода/подзавода основан на передачи полезной работы теплового двигателя (перемещение рабочего поршня, мембраны и т.д.) на пружинный двигатель (вращение барабанного колеса, заводного вала, заводного колеса).
Он содержит редуктор, позволяющий передавать необходимый момент вращения на вал пружинного двигателя (подзаводку пружины), а также переключатель, преобразовывающий двухстороннее движение механизма для преобразования изменения давления жидкости в механическую работу в одностороннее вращение, передаваемое редуктору.
Существует несколько конструкций преобразователя:
- в виде храповых механизмов;
- зубчатые передачи на качающемся рычаге;
- в виде обгонных муфт.
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения поясняется чертежами.
В предпочтительных, показанных на чертежах вариантах конструктивного исполнения устройства часового механизма с тепловым двигателем для автоматического завода механического аккумулятора часового механизма и тепловой двигатель, где для простоты объяснения конструкции и работы устройства автоматического завода приведен вариант выполнения механического аккумулятора в виде пружинного двигателя, а механизм для преобразования изменения объема рабочей жидкости в виде рабочего поршня и цилиндра:
1 - теплоприемник,
2 - вытеснитель,
3 - теплоизоляционная стенка,
4 - охладитель,
5 - магнит вытеснителя,
6 - магнитная муфта,
7 - шотландский механизм,
8 - передаточный механизм,
9 - триб промежуточного колеса,
10 - колесо промежуточное,
11 - рабочий поршень,
12 - зубчатая гребенка подзаводного механизма,
13 - 1-ое колесо подзавода,
14 - 2-ое колесо подзавода,
15 - 3-е колесо подзавода,
16 - барабан,
17 - барабанное колесо,
18 - колесо заводное,
19 - собачка,
20 - триб заводной,
21 - муфта кулачковая,
22 - заводная головка,
23 - колесо переводное,
24 - колесо переводное,
25 - колесо вексельное,
26 - триб вексельного колеса,
27 - колесо часовое,
28 - триб минутной стрелки,
29 - центральное колесо,
30 - триб центрального колеса,
31 - триб секундного колеса,
32 - колесо секундное,
33 - триб анкерного колеса,
34 - анкерное колесо,
35 - анкерная вилка,
36 - узел баланса,
37 - ведущий диск,
38 - ведомое звено "крест",
39 - теплообменная емкость,
40 - рабочий цилиндр.
На фиг.1 показана структурно-функциональная схема часового механизма с механизмом автоматического завода механического аккумулятора, работающего от теплового двигателя, такт работы которого задается часовым механизмом, на которой показаны сопряженные средствами кинематической связи тепловой двигатель, механизм автоматического завода, пружинный двигатель, механизм завода и перевода стрелок, основная колесная система, стрелочный механизм, передаточный механизм, спуск и регулятор.
Также на схеме пунктирной линией выделен часовой механизм, а пунктирной стрелкой показан возможный вариант передачи действия через передаточный механизм на тепловой двигатель от пружинного двигателя.
На фиг.2 показана структурно функциональная схема часового механизма с механизмом автоматического завода механического аккумулятора, работающего от теплового двигателя, такт работы которого задается часовым механизмом, на которой подробно показано, на какие элементы воздействует часовой механизм: пунктирной линией показан тепловой двигатель, в котором выделены три объекта, влияющие друг на друга вытеснитель, рабочее тело и рабочий поршень, механизм автоматического завода, пружинный двигатель, механизм завода и перевода стрелок, основная колесная система, стрелочный механизм, передаточный механизм, спуск и регулятор.
Также на схеме пунктирной стрелкой показан возможный вариант передачи действия через передаточный механизм на тепловой двигатель от пружинного двигателя.
На фиг.3 показана схема часового механизма с тепловым двигателем для автоматического завода механического аккумулятора, такт работы которого задается часовым механизмом, на которой показано: теплоприемник 1, вытеснитель 2, теплоизоляционная стенка 3, охладитель 4, шотландский механизм 7, передаточный механизм 8, триб промежуточного колеса 9, колесо промежуточное 10, рабочий поршень 11, зубчатая гребенка подзаводного механизма 12, 1-ое колесо подзавода 13, 2-ое колесо подзавода 14, 3-е колесо подзавода 15, барабан 16, барабанное колесо 17, колесо заводное 18, собачка 19, триб заводной 20, муфта кулачковая 21, заводная головка 22, колесо переводное 23, колесо переводное 24 колесо вексельное 25, триб вексельного колеса 26, колесо часовое 27, триб минутной стрелки 28, центральное колесо 29, триб центрального колеса 30, триб секундного колеса 31, колесо секундное 32, триб анкерного колеса 33, анкерное колесо 34, анкерная вилка 35, узел баланса 36, теплообменная емкость 39 и рабочий цилиндр 40.
Где пунктирной линией выделено устройство для автоматического завода механического аккумулятора часового механизма.
На фиг.4 показана схема часового механизма с тепловым двигателем для автоматического завода механического аккумулятора, такт работы которого задается часовым механизмом, где вытеснитель приводится в движение передаточным механизмом через магнитную муфту 6, на которой показано: теплоприемник 1, вытеснитель 2, теплоизоляционная стенка 3, охладитель 4, магнит вытеснителя 5, магнитная муфта 6, шотландский механизм 7, передаточный механизм 8, триб промежуточного колеса 9, колесо промежуточное 10, рабочий поршень 11, зубчатая гребенка подзаводного механизма 12, 1-ое колесо подзавода 13, 2-ое колесо подзавода 14, 3-е колесо подзавода 15, барабан 16, барабанное колесо 17, колесо заводное 18, собачка 19, триб заводной 20, муфта кулачковая 21, заводная головка 22, колесо переводное 23, колесо переводное 24, колесо вексельное 25, триб вексельного колеса 26, колесо часовое 27, триб минутной стрелки 28, центральное колесо 29, триб центрального колеса 30, триб секундного колеса 31, колесо секундное 32, триб анкерного колеса 33, анкерное колесо 34, анкерная вилка 35, узел баланса 36, теплообменная емкость 39 и рабочий цилиндр 40.
На фиг.5 показана схема часового механизма с тепловым двигателем для автоматического завода механического аккумулятора. Такт работы теплового двигателя задается часовым механизмом через передаточный механизм, который соединен с механизмом прерывного движения. Механизм прерывного движения выполнен в виде мальтийского креста. Следующие позиции обозначают: 1 - теплоприемник, вытеснитель 2, теплоизоляционная стенка 3, охладитель 4, шотландский механизм 7, передаточный механизм 8, триб промежуточного колеса 9, колесо промежуточное 10, рабочий поршень 11, зубчатая гребенка подзаводного механизма 12, 1-ое колесо подзавода 13, 2-ое колесо подзавода 14, 3-е колесо подзавода 15, барабан 16, барабанное колесо 17, колесо заводное 18, собачка 19, триб заводной 20, муфта кулачковая 21, заводная головка 22, колесо переводное 23, колесо переводное 24, колесо вексельное 25, триб вексельного колеса 26, колесо часовое 27, триб минутной стрелки 28, центральное колесо 29, триб центрального колеса 30, триб секундного колеса 31, колесо секундное 32, триб анкерного колеса 33, анкерное колесо 34, анкерная вилка 35, узел баланса 36, ведущий диск 37, ведомое звено "крест" 38, теплообменная емкость 39 и рабочий цилиндр 40.
На фиг.6 показан тепловой двигатель в режиме без разности температур, когда рабочее тело не подвергается тепловому воздействию, то есть температура пространств, контактирующих с нагревателем 1 и охладителем 4, разделенными теплоизоляционной стенкой 3, равна, рабочий поршень 11 находится в нижней точке, а вытеснитель 2 может находится практически в любом положении.
На фиг.7 показан такт расширения рабочего тела в теплообменной емкости под воздействием температуры, на котором показаны: теплоприемник 1, через который на рабочее тело воздействует тепловая энергия, вытеснитель 2, находящийся вблизи охладителя 4, теплоизоляционная стенка 3, разделяющая теплоприемник и охладитель, рабочий поршень 11, который под действием рабочего тела стремится вверх.
На фиг.8 показан такт работы теплового двигателя при смещении рабочего тела из области нагрева в область охлаждения, на котором показаны: теплоприемник 1, через который на рабочее тело воздействует тепловая энергия, вытеснитель 2, движущийся под действием часового механизма, в сторону теплоприемника и смещающий рабочее тело к охладителю 4, теплоизоляционная стенка 3, разделяющая теплоприемник и охладитель, рабочий поршень 11, находящийся в верхней точке.
На фиг.9 показан такт работы теплового двигателя, при охлаждении рабочего тела, на котором показаны: теплоприемник 1, который закрыт вытеснителем 2, полностью сместивший рабочее тело к охладителю 4, теплоизоляционная стенка 3, разделяющая теплоприемник и охладитель, рабочий поршень 11, стремящийся к нижней точке под действием рабочего тела.
На фиг.10 показан такт работы теплового двигателя, при котором рабочий поршень возвращается к исходному положению. На ней показаны: теплоприемник 1, который закрыт вытеснителем 2, полностью сместивший рабочее тело к охладителю 4, теплоизоляционная стенка 3, разделяющая теплоприемник и охладитель, рабочий поршень 11, находящийся в нижней точке.
На фиг.11 показан график зависимости перемещения рабочего поршня от разности температур, на котором показаны: кривая с круглыми точками для рабочего цилиндра с радиусом 1 мм и кривая с иксообразными точками для рабочего цилиндра с радиусом 1,5 мм.
Осуществление изобретения
Изобретение представляет собой часовой механизм с тепловым двигателем для автоматического завода механического аккумулятора, выполненного в одном из вариантов исполнения в виде пружинного двигателя, который приводится в действие разностью температур и такт работы которого задается часовым механизмом. В основе конструкции лежит тепловой двигатель, принцип работы которого основан на попеременном нагреве и охлаждении заключенного в изолированном пространстве рабочего тела, при котором работа, затрачиваемая на перемещение рабочего тела от холодной области к горячей и наоборот, меньше работы, возникающей при расширении или сжатии рабочего тела, за счет чего вырабатывается полезная механическая энергия.
Основным отличием теплового двигателя согласно изобретению от известных (например, двигатель Стирлинга) является то, что режим нагрева и охлаждения рабочего тела управляется часовым механизмом, а именно перемещение рабочего тела из области теплоприемника в область охладителя и наоборот производится вытеснителем, перемещение которого задается и производится часовым механизмом.
В качестве рабочего тела возможно использовать жидкости с высоким коэффициентом теплового расширения, такие как этиловый спирт, метиловый спирт, пентан, ртуть, галинстан, ацетон и т.п.
Для простоты объяснения назначения и конструкции изобретения механический аккумулятор описывается выполненным в варианте пружинного двигателя, а механизм для преобразования изменения объема рабочей жидкости в виде рабочего поршня и цилиндра.
На фиг.3 приведена схема, на которой показана основная конструкция часового механизма с тепловым двигателем для постоянного подзавода/завода пружинного двигателя, такт работы которого задается часовым механизмом.
Как показано на схеме, отображенной на фиг.3, часовой механизм с тепловым двигателем для автоматического завода пружинного двигателя может приводится в действие как с предварительным разовым подзаводом пружинного двигателя при помощи заводной головки 22, так и без него посредством изменения температурного расширения рабочего тела в течение времени.
При приведении в действии часового механизма с тепловым двигателем для автоматического завода пружинного двигателя с предварительным разовым заводом пружинного двигателя (фиг.3) при помощи заводной головки 22 процесс протекает следующим образом. Вращение заводной головки 22 через заводное колесо 18 передается на барабан 16, то есть производится первичный завод пружины двигателя. Раскручиваясь, пружина двигателя приводит в действие основную колесную систему, то есть триб центрального колеса 30 и центральное колесо 29, находящееся в зацеплении с трибом промежуточного колеса 9, где промежуточное колесо 10 находится в зацеплении с трибом секундного колеса 31, а секундное колесо 32 - с трибом 33 анкерного колеса 34, освобождение которого задается анкерной вилкой 35 и узлом баланса 36. Движение с основной колесной системы через передаточный механизм 8 приводит в действие шотландский механизм 7, который в свою очередь перемещает вытеснитель 2, расположенный в теплообменной емкости 39. Перемещение вытеснителя 2 приводит к смещению рабочего тела в пространстве теплообменной емкости 39 от охладителя 4 к нагревателю 1 или наоборот, которые разделены стенкой 3 с низкой теплопроводностью. Смещение рабочего тела к нагревателю 1 или охладителю 4 приводит к изменению его объема, изменение которого сопровождается движением рабочего поршня 11, так как рабочее тело находится в герметичном замкнутом пространстве, где подвижным элементом является рабочий поршень 11, расположенный в рабочем цилиндре 40, то увеличение объема, сопровождающееся увеличением давления и будет приводить к выталкиванию поршня 11, а уменьшение объема будет сопровождаться снижением давления, то есть разряжением и будет приводить к втягиванию поршня 11.
Если происходит нагрев рабочего тела, его объем увеличивается. Увеличение объема рабочего тела сопровождается выталкиванием рабочего поршня 11, расположенного в рабочем цилиндре 40, который, двигаясь верх, через систему рычагов, толкает зубчатую гребенку заводного механизма 12. Зубчатая гребенка 12 находится в зацеплении с 1-ым колесом подзавода 13, представляющим собой храповой механизм, выполненный таким образом, чтобы при нагреве рабочего тела оно вращало в заданном направление 2-ое колесо подзавода 14, которое находится с ним на одном валу и находится в зацеплении с 3-им колесом подзавода 15, вращение которого подзаводит пружину двигателя, а при охлаждении рабочий поршень мог вернутся в изначальное положение без какого-либо сопротивления.
После подзавода пружинного двигателя весь цикл повторяется и более не требует внешнего вмешательства.
Таким образом один из вариантов работы механизма автоматического завода механического аккумулятора, заключающийся в следующем.
При перемещении рабочий поршень теплового двигателя, двигаясь верх, через систему рычагов, толкает зубчатую гребенку заводного механизма, которая находится в зацеплении с 1-ым колесом подзавода, представляющим собой храповой механизм, выполненный так, чтобы при нагреве рабочего тела оно вращало в заданном направление 2-ое колесо подзавода, которое находится с ним на одном валу и находится в зацеплении с 3-им колесом подзавода, вращение которого заводит пружину двигателя, а при охлаждении рабочий поршень мог вернутся в изначальное положение без какого-либо сопротивления.
Механизм подзавода может выполнять завод как при одностороннем движении, при нагреве, так и двухстороннем движении, то есть как при нагреве, так и охлаждении.
Приведение в действие часового механизма с тепловым двигателем для автоматического завода пружинного двигателя без предварительного разового завода пружинного двигателя при помощи заводной головки 22 процесс протекает аналогично, только первичный подзавод пружины двигателя производится за счет того, что рабочее тело расширяется со временем под воздействием тепла.
Стоит отметить, что нагреватель 1 и охладитель 4 выполнены из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, например из алюминия, сплавов алюминия, меди, медного сплава, серебра, сплава серебра или сплавов золота.
Нагреватель 1 не должен контактировать с поверхностью тела, контактирующего с охладителем 4, 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.
Вытеснитель выполнен из материала, имеющего низкую теплопроводность, например композит, пластмасса, эластомер, керамика и т.п. Вытеснитель выполняет роль "теплового клапана". Он перемещает рабочее тело из горячей полости цилиндра в холодную и обратно, препятствуя наступлению термодинамического равновесия и переноса тепла в системе.
Перемещение вытеснителя можно производить при помощи магнитов, как показано на фиг.4.
Перемещение вытеснителя может производиться как плавно, так и скачкообразно.
Перемещение вытеснителя можно производить плавно при помощи шотландского механизма и кривошипно-шатунного механизма.
Перемещение вытеснителя можно производить скачкообразно при помощи мальтийского механизма или другого механизма, обеспечивающего скачкообразное, прерывистое перемещение.
Как показано на фиг.1 и фиг.2, вращение передаточному механизму можно передавать как от основной колесной системы, так и от пружинного двигателя.
Особенности функционирования теплового двигателя для подзавода в конкретных режимах работы показаны на фиг.6-10.
На фиг.6 показан режим, когда отсутствует разность температур, то есть система находится в равновесии.
На фиг.7 показан режим нагрева и расширения рабочего тела под воздействием температуры, где рабочий поршень 11 смещается вверх.
На фиг.8 показан режим перемещения рабочего тела из области нагрева в область охлаждения при помощи вытеснителя 11.
На фиг.9 показан режим охлаждения рабочего тела и снижение его объема, сопровождающееся разряжением и движением поршня к нижней точке.
На фиг.10 показан режим, где рабочее тело охладилось и полностью восстановило свое начальное состояние, а рабочий поршень находится в нижней точке.
Тепловой двигатель подзавода пружины двигателя часового механизма выполнен так, что может работать в независимости от того, какая сторона нагреватель 1 или охладитель 4 подвергается более высокому тепловому воздействию, то есть для функционирования главное присутствие разности температур у пространств, контактирующих с нагревателем и охладителем.
Тепловой двигатель выполнен так, чтобы мог приводиться в действия от любого источника тепла, например тепло тела человека, солнечного света, систем отопления, тепла электроприборов, разности температур в помещении и на улице и т.п.
Охладитель 4 для интенсификации охлаждения может иметь на поверхности выполненные ребра, канавки или дополнительные элементы охлаждения.
Нагреватель 1 для интенсификации нагрева может иметь на поверхности ребра, канавки или несколько теплообменных цилиндров.
Часовой механизм может иметь несколько тепловых двигателей для автоматического завода механического аккумулятора.
Как следует из описания, специалисту не составит труда понять, что часовой механизм может иметь механический аккумулятор, выполненный в как виде пружинного, так и в виде гидравлического, резинового, пневматического, гиревого или маховичного механического аккумулятора. При этом принцип передачи энергии на него не изменится, а изменится только рабочий элемент механического аккумулятора, посредством которого работа будет передана на механический аккумулятор.
Тепловой двигатель выполнен с возможностью получения полезной работы при отсутствии разности температур, за счет перепада температуры окружающего пространства с течением времени.
Также ясно, что механизм для преобразования изменения давления жидкости в механическую работу может быть выполнен не только в виде рабочего цилиндра и рабочего поршня в нем, но и в виде мембраны (за счет совершения колебательного движения, то есть ее растяжения и сужения) либо сильфона и других подобных механизмов. Это связано с тем, что вышеуказанный механизм для преобразования изменения давления жидкости в механическую работу, основан на преобразовании энергии движения меняющей объем жидкости (рабочего тела), в возвратно-поступательное движение механизма.
Тепловой двигатель включает в себя детали часового механизма, контролирующие его работу. То есть тепловой двигатель выполнен таким образом, что для его функционирования требуется воздействие со стороны часового механизма на вытеснитель, для его перемещения. При этом не требуется воздействия на вытеснитель со стороны механизма для преобразования изменения давления жидкости в механическую работу, то есть механизм для преобразования изменения давления жидкости в механическую работу выдает полезную работу без потерь на смещение вытеснителя.
Часовой механизм может быть выполнен с возможностью использования теплового двигателя как для выполнения основной задачи, автоматического завода механического аккумулятора, так и для выполнения второстепенных задач, например приведение в действие вспомогательных механизмов или придача действия декоративным элементам.
Часовой механизм с тепловым двигателем для автоматического завода пружинного двигателя выполнен с возможностью осуществления завода пружинного двигателя как при нагреве, так при охлаждении рабочего тела.
Были проведены расчеты для теплового двигателя с цилиндрической теплообменной емкостью и рабочим цилиндром, которые показывают, что тепловой двигатель может работать на малом градиенте температур (1-2 градуса Цельсия).
Расчет для рабочего пространства двигателя, имеющего цилиндрическую форму с параметрами d=35 или r=17,5 мм и h=5 мм, полностью занимаемую рабочим телом до теплового воздействия.
o
2
V=πrh
o
3
V=3.14×17,52×5=4808,125 мм
Известно, что температурное расширение жидкости рассчитывается по формулам:
Определение изменения объема занимаемого рабочим телом при тепловом воздействии, а точнее при изменении температуры на 1°C, будет проводится по формуле:
0
V=V×(1+β×dT)
(этиловый спирт)
-3
При Т=20°С β=1,08·10 примем что dT=4°С
-3
3
V=4808,125×(1+1,08×10×4)=4828,8961 мм
Определение изменения объема при тепловом воздействии:
0
3
dV=V-V=4828,8961-4808,125=20,77 мм
p
Определенное значение изменения объема при тепловом воздействии направлено на заполнение рабочего цилиндра, то V=dV
2
dV=πrh
Определение подъема поршня при заданном диаметре можно произвести по формуле:
при r=1,5 мм
при r=1 мм
В таблице 1 приведены расчеты изменения объема рабочего цилиндра ΔV и подъема рабочего поршня h в зависимости от разности температур, для рабочих цилиндров с радиусами r=1 мм и r=1,5 мм.
Как видно из таблицы, с ростом разности температур возрастает и производительность теплового двигателя.
В описании раскрыт один возможный вариант исполнения изобретения, что ни коим образом не ограничивает возможные варианты его исполнения.
Часовой механизм может быть базовым, серийно выпускаемым, как в стандартном исполнении, так и с дополнительной доработкой, например фрикционным внешним концом заводной пружины, для обеспечения «бесконечного завода» пружины и предотвращения ее поломки или перенапряжения.
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 [7, 8, 9, 10].
Таким образом обеспечивается достижение требуемого технического результата, а именно:
- обеспечение постоянного значения суточного хода часов и повышение точности часов за счет обеспечения постоянного значения крутящего момента пружинного двигателя, передаваемого на спусковой регулятор;
- обеспечение полной автономности работы часов при отсутствии внешнего воздействия пользователя посредством использования разности температур различных областей пространства;
- возможность использования механизма часов как в переносных, так и в стационарных часах.
Как следует из описания, при осуществлении изобретения также обеспечивается увеличение мощности автоматического подзавода и возможности использования в качестве привода дополнительных устройств в часах.
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://bse.sci-lib.com/article121589.html Часы (прибор). Большая Советская Энциклопедия.
2. http://www.watches.ru/index.php?page=30&art=55
3. http://remontchasov.ucoz.ru/index/avtopodzavod_v_chasakh/0-45.
4. Аксельрод М. Теория и проектирование приборов времени. «Машиностроение», Ленинград, 1969, с.45-47.
5. SU 146702, опубликовано БИ №8 за 1962 г.
6. Тарасов С.В. Приборы времени. Москва, «МАШИНОСТРОЕНИЕ», 1976, с.39-40.
7. Харитончук А.П. Справочная книга по ремонту часов, М., 1977, стр.18, 21.
8. Романов А.Д. Проектирование приборов времени. М., 1975, стр.140.
9. Тарасов С.В. Технология часового производства, М., 1963.
10. Попова В.Д., Гольдберг Н.Б. Устройство и технология сборки часов. М., 1989.
Таблица 1
ΔТ, °C
V
ΔV
h (r=1 мм)
h (r=1,5 мм)
1
4813,32
5,19
1,65
0,73
2
4818,51
10,39
3,31
1,47
3
4823,70
15,58
4,96
2,20
4
4828,90
20,77
6,62
2,94
5
4834,09
25,96
8,27
3,68