ДВЕРНАЯ ПЕТЛЯ
DOOR HINGE

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при производстве дверных петель, обеспечивающих шарнирное соединение дверной рамы и полотна двери с дополнительной функцией освещения.
С внедрением и развитием прогрессивной технологии «умный дом», обеспечивающей безопасность и энергосбережение в помещениях, а также комфорт посредством использования высокотехнологичных устройств и автоматизации, на дверные петли, использовавшиеся ранее как пассивный шарнир, все чаще возлагаются дополнительные функции. В частности, актуальной является задача использования дверных петель для автоматического включения освещения в помещении при открывании двери. При этом как с точки зрения энергосбережения, так и с точки зрения надежности функционирования, например в случае временного отсутствия источников энергии в помещении, представляет интерес использование кинетической энергии открываемой двери для решения данной задачи.
Известны устройства (патент US 7795746, патент US 6236118, патент CN 102374145) преобразования кинетической энергии двери в электрическую энергию, которые содержат электромагнитный генератор и механический привод, обеспечивающий вращение ротора электромагнитного генератора при открывании и закрывании двери. Недостатком этих устройств является сложность, большие габариты, трудность монтажа, низкая надежность и высокая стоимость.
Известны дверные петли, имеющие аналогичную конструкцию (патент US 9080358, патент US 8510989, патент US 6724285, патент US 3806852). В крылья известных петель вмонтированы датчики, срабатывающие при изменении положения двери, что обеспечивает включение освещения в помещении. Особенностью конструкции таких петель является то, что по сигналу датчиков освещение включается от штатной электрической сети (внешнего источника), в случае отсутствия напряжения в которой ожидаемый результат не будет достигнут. Кроме того, источник освещения находится на значительном расстоянии от датчика, размещенного на дверной петле, что приводит к общему усложнению системы освещения.
Известна дверная петля (патенты-аналоги RU 2331749, DE 10249537B3, СА 2498884), на одном из крыльев которой закреплены светодиодные модули, предназначенные для установки на двери со стеклянными полотнами. Такое техническое решение позволяет обеспечить создание различных декоративных визуальных и технических эффектов на полотне двери. Вследствие того, что питание светодиодов осуществляется от внешнего источника, подключенного к штатной электрической сети, и включается внешним выключателем, в случае отсутствия напряжения в электрической сети освещение не будет включено.
Известна дверная петля (полезная модель CN 202733835 U), содержащая пьезогенератор, преобразующий кинетическую энергию открываемой двери в электрический сигнал, обеспечивающий включение освещения в помещении при открывании двери. Достоинством данного технического решения является использование пьезогенератора, что позволяет обеспечить высокую надежность, малые габариты и невысокую стоимость данного элемента (патент RU 2499350, патентная заявка US 2014/0312742). Однако данное техническое решение, также как и описанные выше, требуют использования внешнего источника энергии и внешнего источника света.
Наиболее близкими техническим решением, принятым в качестве прототипа, является дверная петля (патент US 7522042), которая содержит первое крыло с кулаками, предназначенное для крепления к дверной коробке, второе крыло с кулаками, предназначенное для крепления к дверному полотну, стержень, установленный в осевых отверстиях кулаков с возможностью вращения крыльев вокруг общей оси, и генератор электрического напряжения, размещенный в корпусе, установленном на первом крыле со стороны крепления к дверной коробке.
В известном техническом решении генератор электрического напряжения, являющийся элементом дверной петли и размещенный на его неподвижном крыле, обеспечивает преобразование кинетической энергии двери в электрическую энергию за счет передачи через систему шестерней вращательного движения от крыла петли, прикрепленного к двери, на ротор генератора электрического напряжения. При вращении ротора магнитный поток, пронизывающий статор, изменяется, в результате чего в нем индуцируется переменный ток. Через выпрямитель переменный ток подается на катушки возбуждения ротора, тем самым превращая его в электромагнит и усиливая наводимый в статоре ток. В результате на выводах статора возникает переменное напряжение, которое подается для питания установленных на двери датчиков охранной системы помещения. Это решение позволяет обеспечить энергосбережение и надежность функционирования охранной системы в аварийных ситуациях, например при отсутствии сетевого напряжения в помещении.
Однако известное решение является технически и технологически сложным, прежде всего из-за выполнения генератора электрического напряжения в виде электромагнитного генератора и из-за сложности и ненадежности функционирования шестеренчатой передачи в процессе эксплуатации, например из-за перекоса и проседания дверной коробки и дверного полотна. Кроме того, известная конструкция дверной петли требует периодического технического обслуживания - смазки шестеренчатых передач и подшипников электродвигателя. Стоимость такой активной дверной петли значительно выше стоимости дверной петли такого же типоразмера.
Кроме того, описанная дверная петля не обеспечивает автоматическое включение освещения в помещении при открывании двери.
В основу изобретения положена задача создать технически и технологически простую в изготовлении и монтаже дверную петлю, конструктивное выполнение которой обеспечивает освещение помещения во время открытия двери без использования внешних источников энергии.
Поставленная задача достигается тем, что дверная петля, содержащая первое крыло с кулаками, предназначенное для крепления к дверной коробке, второе крыло с кулаками, предназначенное для крепления к дверному полотну, стержень, установленный в осевых отверстиях кулаков с возможностью вращения крыльев вокруг общей оси, и генератор электрического напряжения, размещенный в корпусе, установленном на первом крыле со стороны крепления к дверной коробке, согласно изобретению содержит модуль освещения, подключенный к генератору электрического напряжения и установленный на первом крыле со стороны его крепления к дверной коробке, на боковой поверхности каждого кулака второго крыла выполнены зубья, а генератор электрического напряжения выполнен в виде по меньшей мере одного пьезоэлектрического генератора, который установлен напротив соответствующего кулака с зубьями второго крыла и содержит пьезоэлектрическую пластину, одним концом закрепленную в корпусе, а свободным концом установленную с возможностью зацепления с зубьями соответствующего кулака второго крыла при повороте дверной петли.
Конструктивно целесообразно, чтобы модуль освещения имел один или группу каналов преобразования электрической энергии, каждый из которых включает выпрямитель напряжения, входы которого подключены к выходам пьезоэлектрического генератора, накопитель электрической энергии, подключенный выпрямителю напряжения, и группу светодиодов, подключенных к накопителю энергии и размещенных на поверхности модуля освещения так, что в смонтированном положении дверной петли светодиоды расположены на наружной поверхности дверной коробки.
Технологично, чтобы на свободном конце каждой пьезоэлектрической пластины был установлен наконечник.
Технический результат настоящего изобретения заключается в возможности освещения помещения за счет преобразования кинетической энергии движущейся двери в световую без применения внешних источников энергии.
Благодаря тому, что в патентуемой дверной петле предложена функциональная пара: источник возбуждения, а именно кулак с нанесенными зубьями, и генератор электрического напряжения, а именно пьезоэлектрический генератор с активным элементом в виде пьезоэлектрической пластины, обеспечивается надежная работа дверной петли с функцией кратковременного освещения при открывании двери.
Конструкция предлагаемой дверной петли проста и технологична: нанесение зубьев на кулаки петли может производиться в процессе штамповки ее крыльев, модуль освещения, также как и пьезоэлектрические пластины, могут быть помещены в пластиковый корпус и приклеены к полотну крыла.
Предлагаемая дверная петля не требует технического обслуживания в процессе эксплуатации. Стоимость дополнительных комплектующих, необходимых для изготовления предложенной петли, не превышает стоимости обычной дверной петли этого же типоразмера, вследствие чего общая стоимость повысится незначительно. Монтаж предлагаемой дверной петли в основном осуществляется обычным образом. Небольшим отличием является необходимость выполнения в дверной коробке небольших выборок глубиной 10-15 мм под корпуса пьезоэлектрических генераторов и модуля освещения.
Изобретение поясняется чертежами, которые не охватывают и тем более не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения.
Фиг. 1 изображает дверную петлю со стороны крепления к дверной коробке и дверному полотну согласно изобретению.
Фиг. 2 - узел А на фиг. 1, повернуто на 90°, согласно изобретению.
Фиг. 3 - фрагмент дверной коробки с модулем освещения согласно изобретению.
Фиг. 4 - принципиальная схема выполнения модуля освещения согласно изобретению.
Дверная петля содержит первое крыло 1 (фиг. 1) с кулаками 2, предназначенное для крепления к дверной коробке, второе крыло 3 с кулаками 4, предназначенное для крепления к дверному полотну, и стержень 5, установленный в осевых отверстиях кулаков 2, 4 с возможностью вращения крыльев 1, 3 вокруг общей оси. На боковой поверхности каждого кулака 4 второго крыла 3 параллельно оси стержня 5 выполнены зубья 6 (фиг. 2), а между смежными кулаками 2, 4 установлены подшипники 7 (фиг. 1).
Патентуемая дверная петля содержит также генератор электрического напряжения, размещенный в корпусе, установленном на первом крыле 1 со стороны крепления к дверной коробке. Согласно изобретению генератор электрического напряжения выполнен в виде по меньшей мере одного пьезоэлектрического генератора 8, каждый из которых установлен напротив соответствующего кулака 4 с зубьями 6 второго крыла 3 и содержит пьезоэлектрическую пластину 9 (фиг. 2), которая одним концом закреплена в корпусе 10, а свободным концом выполнена с возможностью зацепления с зубьями 6 соответствующего кулака 4 второго крыла 3 при повороте крыльев 1, 3 дверной петли. На свободном конце пьезоэлектрической пластины 9 установлен наконечник 11, а на концах стержня 5 установлены защитные колпачки 12.
В описываемом варианте выполнения число пьезоэлектрических генераторов 8 соответствует числу кулаков 4 с зубьями 6 и равно двум. В соответствии с настоящим изобретением также возможно использование одного пьезоэлектрического генератора 8, который может быть установлен напротив одного из кулаков 4 второго крыла 3. При выполнении дверной петли, в которой имеется несколько кулаков 4 с зубьями 6, число пьезоэлектрических генераторов 8 может совпадать или отличаться от числа кулаков 4.
Дверная петля также содержит модуль 13 освещения, который подключен к пьезоэлектрическому генератору 8 и закреплен на первом крыле 1 со стороны его крепления к дверной коробке так, что смонтированном положении дверной петли светодиоды 14 (фиг. 3) модуля 13 освещения находятся на наружной поверхности дверной коробки 15.
На поверхности первого крыла 1 дверной петли выполнены углубления 16, в которых размещены электрические провода 17, соединяющие пьезоэлектрические генераторы 8 с модулем 13 освещения. Для крепления дверной петли к дверной коробке и дверному полотну в первом крыле 1 и втором крыле 3 выполнены отверстия 18. В качестве соединительных проводов 17 может быть использован плоский кабель, применяемый в компьютерных шлейфах, который укладывается в углубления 16, выполненные в процессе штамповки первого крыла 1, и заливается компаундом заподлицо с плоскостью крыла 1.
Модуль 13 освещения (фиг. 4) содержит каналы преобразования электрической энергии, количество которых соответствует количеству пьезоэлектрических генераторов 8. Каждый канал включает выпрямитель 19 напряжения, входы которого подключены к выходам пьезоэлектрического генератора 8, накопитель 20 электрической энергии, подключенный к выходам выпрямителя 19 напряжения, и группу светодиодов 14, подключенных к накопителю 20 энергии. В описываемом варианте выполнения изобретения модуль 13 освещения содержит два канала преобразования электрической энергии, каждый из которых соединен с выходами 21 соответствующего пьезоэлектрического генератора 8 (фиг. 1). Как было отмечено выше, может быть использован один пьезоэлектрический генератор 8 и соответственно один канал преобразования электрической энергии.
В описываемом варианте выполнения выпрямитель 19 напряжения выполнен по мостовой схеме на диодах Шотки 22, а накопитель 20 электрической энергии представляет собой конденсатор 23. Кроме того, электрическая схема модуля 13 освещения включает стабилитрон 24 и резистор 25. Использование диодов Шотки 22 в данном случае наиболее предпочтительно в связи с тем, что они имеют малое прямое падение напряжение, что позволяет минимизировать потери энергии в выпрямителе 19 напряжения.
Выбор в качестве генератора напряжения пьезоэлектрических генераторов с активными элементами в виде пьезоэлектрических пластин обусловлен следующим. Пьезоэлектрическая пластина 9 представляет собой ионный кристалл, элементарные ячейки которого не имеют центра симметрии. Этот кристалл состоит как бы из двух или нескольких «вдвинутых» одна в другую простых решеток, каждая из которых построена из ионов одного знака - либо положительных, либо отрицательных. При деформации ионного кристалла простые решетки сдвигаются относительно друг друга, вследствие чего изменяется электрический момент кристалла и на его гранях появляется электрическое напряжение, которое в дальнейшем может быть преобразовано в другие виды энергии, в частности в световую энергию.
Дверная петля функционирует следующим образом. При открывании двери второе крыло 3 с кулаками 4, на которых выполнены зубья 6, поворачивается по оси стержня 5 относительно первого крыла 1, закрепленного на дверной коробке 15. При этом происходит зацепление наконечника 11 за зубья 6, что приводит к принудительной деформации закрепленной в корпусе 10 пьезоэлектрической пластины 9 с последующим свободным механическим колебанием и периодической деформацией с резонансной частотой механических колебаний, что имеет место даже после завершения процесса открывания двери.
Свободные колебания пьезоэлектрической пластины 9 представляют собой пакеты затухающих гармонических колебаний, что приводит к появлению соответствующих пакетов переменного электрического напряжения на ее электрических выводах. Переменное напряжение подается на входы канала преобразования электрической энергии, а именно на входы выпрямителя 19 напряжения, выполнение которого на диодах Шотки 22 обеспечивает минимальные потери напряжения. Положительные полуволны электрического напряжения поступают на накопитель 20 электрической энергии, выполненный в виде конденсатора. Защита от перенапряжений на конденсаторе 23 обеспечивается стабилитроном 24. Постоянное напряжение с накопителя 20 электрической энергии через резистор 25 подается на светодиоды 14, закрепленные на корпусе модуля 13 освещения, обеспечивая их свечение в течение 5-10 секунд после начала процесса открывания двери. Этого времени достаточно для ориентации в помещении и принятия необходимого решения, например прохода из прихожей в комнату, включения общего освещения и т.д. При этом следует отметить, что продлить свечение светодиодов 14 можно легким смещением дверного полотна, обеспечив лишь однократное зацепление наконечника 11 пьезоэлектрической пластины 9 с одним из зубьев 6 для возникновения свободных механических колебаний пьезоэлектрической пластины 9.
Подшипники 7 обеспечивают мягкость хода двери, а колпачки 12 - декоративное оформление дверной петли.
Напряжение на выходах накопителя 20 электрической энергии может быть подано также и на внешние средства автоматики (на фиг. 4 показано пунктиром) - охранной сигнализации, видеорегистрации, контроллеры общего и местного освещения в помещениях и т.д.
Предложенное техническое решение позволяет выполнить дверную петлю как простое устройство, обеспечивающее помимо основной функции - крепления дверного полотна к дверной коробке дополнительную функцию - освещение помещения без использования внешних источников электрической энергии при незначительном увеличении ее стоимости.