КОЛЕСО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА С УСТРОЙСТВОМ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПРОСКАЛЬЗЫВАНИЯ
VEHICLE ANTISKID WHEEL

Изобретение преимущественно относится к устройствам, предотвращающим проскальзывание колес, а также к холодильной технике к рефрижераторам, работающим на основе магнитокалорического эффекта.
Известна автомобильная шина [1], элемент противоскольжения, используемый для автомобильной шины, и способ предотвращения скольжения шины.
Предотвращение скольжения автомобильной шины достигается путем создания отрицательного давления во внутреннем пространстве водовсасывающей выемки при расширении и изменении формы этой выемки, образованной в протекторе шины, во время ее соприкосновения с дорогой, всасывания воды, находящейся между поверхностью протектора и поверхностью дороги, под действием отрицательного давления, одновременного удерживания всосанной воды между множеством волосков, находящихся в водовсасывающей выемке, с тем, чтобы создавать силу сцепления шины с поверхностью дороги путем образования всасывающе-сцепляющей силы и силы примерзания между поверхностью протектора и поверхностью дороги, и выброса наружу воды, удерживаемой между волосками, в тот момент, когда водовсасывающая выемка выходит из соприкосновения с дорогой, под действием силы, восстанавливающей форму водовсасывающей выемки, и центробежной силы, создаваемой вращением шины.
В устройстве, реализованном по данному способу, не предусмотрено принудительное охлаждение поверхности шины, которая разогревается при движении и, особенно, при торможении. В результате при торможении в условиях гололеда поверхностный слой льда под шиной плавится, значительно уменьшая коэффициент трения, особенно при температуре окружающей среды, близкой к температуре таяния льда.
Известен магнитный рефрижератор [2], содержащий корпус с вращающимся колесом, которое жестко насажено на вал и выполнено из рабочего вещества, обладающего магнитокалорическим эффектом (МКЭ), в виде насаженных друг на друга коаксиальных колец с радиальными каналами для прохода теплого и холодного потоков теплоносителя и разделенных на сегменты непроницаемыми теплоизолирующими перегородками, магнит, охватывающий часть колеса в осевом направлении, газораспределительное устройство для подвода и отвода теплоносителя, размещенное в центральной части корпуса, и теплообменник нагрузки, выполненный в виде корпуса рефрижератора, жестко связанного с размещенным в нем колесом с возможностью вращения совместно с последним, при этом между корпусом и наружной поверхностью колеса выполнен зазор для прохода холодного потока теплоносителя.
Указанная конструкция не позволяет без существенной доработки конструкции рефрижератора применять данное устройство для охлаждения поверхности шины транспортного средства.
Известно устройство [3], где согласно описанию в магнитном холодильнике используется вращающаяся конструкция. Она состоит из колеса, содержащего сегменты с порошком гадолиния, а также мощного постоянного магнита.
Конструкция выполнена таким образом, что колесо прокручивается через рабочий зазор магнита, в котором сконцентрировано магнитное поле. При вхождении сегмента с гадолинием в магнитное поле в гадолинии возникает магнитокалорический эффект - он нагревается. Это тепло отводится теплообменником, охлаждаемым водой. Когда гадолиний выходит из зоны магнитного поля, возникает магнитокалорический эффект противоположного знака и материал дополнительно охлаждается, охлаждая теплообменник с циркулирующим в нем вторым потоком воды. Этот поток используется для охлаждения холодильной камеры магнитного холодильника.
Недостатком данной конструкции является то, что в ней для отвода тепла магнитокалорического холодильного цикла теплоносителем является циркулирующая вода, что для колеса транспортного средства не приемлемо.
Известна конструкция шины [4], предотвращающая скольжение по льду. Согласно описанию скользящее тело в виде шины содержит металлические нагревательные элементы, внедренные в шину. Мощность поступает на нагревательные элементы, в результате чего нагревательные элементы растапливают граничный слой льда или снега. После растапливания граничного слоя льда он повторно замораживается под действием внешней температуры и обеспечивает связь между льдом/снегом и шиной. Мощность подается на нагревательные элементы несколькими способами. Скользящее тело использует в качестве источника питания, например автомобильный аккумулятор.
В другом примере шины нагревательные элементы включают в себя тонкие металлические провода, способные принимать мощность и преобразовывать эту мощность в тепловую энергию для растапливания граничного слоя льда/снега, контактирующего с шиной. Согласно варианту осуществления пользователь активирует переключатель, что позволяет подавать мощность на нагревательные элементы, когда это необходимо для обеспечения дополнительного сцепления шины с поверхностью дороги, покрытой льдом и снегом. Когда пользователь переключает переключатель, нажимая специальную кнопку на панели управления автомобиля, переключатель проводит мощность от источника питания на нагревательные элементы для растапливания граничного слоя льда и снега и, таким образом, для изменения коэффициента трения между шиной и льдом и снегом, покрывающими поверхность дороги, когда граничный слой повторно замораживается и повышает сцепление шины на снегу/льду.
Недостатком конструкции является то, что при температуре воздуха около нуля градусов Цельсия, предыдущий нагрев не позволяет заморозить граничный слой льда, т.к. холода окружающего воздуха будет недостаточно.
Нагревательные элементы действуют как «импульсные тормоза», выдавая импульс нагрева на границу раздела между шиной и снегом/льдом. Например, когда необходимо торможение, граничный слой льда растапливается. Когда импульс прекращается, растопленные пятна на шине обычно повторно замораживаются за несколько миллисекунд под действием внешней температуры, обеспечивая сильные связи между шиной и льдом/снегом. Эти связи способствуют торможению движения шины относительно льда/снега. Для более быстрого охлаждения растопленного граничного слоя льда используется элемент Пельтье.
Элемент Пельтье при подаче тока требует отвода тепла со стороны, противоположной охлаждающейся стороне. Если охлаждающаяся сторона находится на поверхности колеса, то нагревающаяся сторона элемента Пельтье будет передавать тепло внутрь колеса, поэтому потребуется система отвода тепла изнутри колеса. Кроме того, недостатком элемента Пельтье в данном случае является необходимость подачи электроэнергии к движущемуся колесу, что снижает надежность системы.
В одном из вариантов реализации шины на этапе повторной заморозки используют автомобильный кондиционер.
Однако автомобильный кондиционер обычно не рассчитан на уровень отрицательных температур, т.к. в этом случае его тепловой КПД будет ниже, чем при обычном исполнении, кроме того, его мощность должна быть довольно большой.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения, принятым за прототип, является колесо транспортного средства с устройством предотвращения проскальзывания по патенту РФ на полезную модель №127340 [5].
В прототипе колесо транспортного средства содержит внедренные в колесо элементы, охлаждаемые окружающим воздухом или элементами качения, причем внедренные элементы содержат материал с магнитокалорическим эффектом, а в корпусе транспортного средства размещены с возможностью выдвижения в сторону колеса постоянные магниты, оснащенные со стороны колеса элементами качения.
Согласно формуле полезной модели, описанию и иллюстрациям к патенту постоянные магниты и элементы качения являются раздельными элементами, разнесенными в пространстве. Причем постоянные магниты отделяются от колеса с образованием зазора элементами качения, которые упираются в колесо при выдвижении и тем самым обеспечивают минимальный зазор между колесом и магнитами.
Такая конструкция предусматривает, что только часть поверхности колеса соприкасается с элементами качения, наиболее эффективно охлаждающими внедренные элементы из магнитокалорического материала. Другая часть поверхности колеса, находящаяся под постоянными магнитами на расстоянии зазора, охлаждается только наружным воздухом. Вследствие того, что магнитная индукция быстро снижается по мере удаления от магнита, необходимо обеспечивать минимальный зазор между магнитом и колесом. В таком зазоре эффективное охлаждение воздухом без дополнительных средств организовать невозможно, поэтому в заявленной полезной модели охлаждение фактически в основном осуществляется за счет теплопроводности к элементам качения. Часть поверхности колеса, контактирующая с элементами качения, охлаждается сильнее, т.к. передача теплопроводностью в таких условиях значительно выше передачи тепла за счет теплопередачи к воздуху.
Таким образом, в прототипе только часть поверхности колеса, занятой постоянными магнитами, охлаждается достаточно эффективно: быстро и с высоким значением количества передаваемого тепла. Чем выше эффективность такого охлаждения, тем выше результативность последующего адиабатического охлаждения вне действия магнитного поля, тем ниже температура магнитного охлаждения.
Задача заявленного изобретения заключается в повышении эффективности магнитокалорического охлаждения.
Технический результат достигается тем, что колесо транспортного средства с устройством предотвращения проскальзывания содержит внедренные в колесо элементы, включающие материал с магнитокалорическим эффектом, имеющие возможность охлаждаться окружающим воздухом или телами вращения, в корпусе транспортного средства размещены с возможностью выдвижения в сторону колеса постоянные магниты и тела вращения, а постоянные магниты размещены внутри тел вращения.
Вследствие того, что постоянные магниты размещаются внутри тел вращения, увеличивается площадь эффективного охлаждения элементов из магнитокалорического материала, нагревающихся под действием магнитного поля.
В первом варианте исполнения постоянные магниты размещены внутри тел вращения неподвижно относительно геометрических осей тел вращения (т.е. магниты не вращаются относительно колеса), а поверхности тел вращения, соприкасающиеся с колесом, подвижны относительно постоянных магнитов (т.е. вращаются вокруг магнитов за счет трения о колесо).
В другом варианте исполнения постоянные магниты закреплены неподвижно относительно тел вращения (т.е. вращаются вместе с ними). Самый простой вариант исполнения по этому варианту - внедрение магнитов в тела вращения (или изготовление тела вращения в виде монолитного магнита).
В случае использования нескольких магнитов, они закрепляются внутри тела вращения, а в местах минимума магнитного потока от постоянных магнитов поверхности тел вращения теплоизолируются. В этом случае магнитокалорический материал, адиабатически охлаждающийся после выхода из зоны действия максимума магнитного поля, не передает полезный холод телу вращения. Наиболее просто этот вариант реализуется путем закрепления металлических магнитов в ролике из пластмассы с низкой теплопроводностью.
Новая совокупность существенных признаков, а именно размещение постоянных магнитов внутри тел вращения, позволяет существенно увеличить площадь и эффективность охлаждения по сравнению с прототипом.
Сами варианты размещения постоянных магнитов внутри тел вращения: неподвижно относительно геометрических осей тел вращения, с обеспечением возможности вращаться вокруг магнитов только поверхностям тел вращения, соприкасающиеся с колесом; неподвижно относительно тел вращения, т.е. вращаясь вместе с ними, причем в одном из подвариантов такого исполнения в местах минимума магнитного потока от постоянных магнитов поверхности тел вращения теплоизолированы, - также являются новыми.
Вариант размещения постоянных магнитов внутри тел вращения неподвижно относительно геометрических осей тел вращения предполагает также возможность использования самих магнитов в качестве физических осей тел вращения.
Поскольку новая совокупность существенных признаков предлагаемого устройства не известна и не следует явным образом из уровня техники, установленного по патентной и научно-технической литературе, то можно говорить о его соответствии критериям «новизна» и «изобретательский уровень».
Изобретение иллюстрируется чертежами:
на Фиг.1 показан общий вид устройства в неактивном состоянии, когда постоянные магниты, относительно которых поверхности тел вращения подвижны, отведены от колеса;
на Фиг.2 показан общий вид устройства в активном состоянии, когда постоянные магниты взаимодействуют с внедренными элементами через соприкасающиеся с колесом поверхности тел вращения;
на Фиг.3 показан разрез А-А колеса (шины) с Фиг.2, колесо содержит внедренные элементы в виде гранул из материала с магнитокалорическим эффектом;
на Фиг.4 показан разрез А-А колеса (шины) с Фиг.2, колесо содержит внедренные элементы другого известного варианта исполнения, состоящие из материала с магнитокалорическим эффектом, которые находятся в контакте с металлическими материалами с высокой теплопроводностью;
на Фиг.5 изображен разрез А-А колеса (шины) с Фиг.2, в котором реализуется известный вариант исполнения внедренных элементов, состоящих из чередующихся слоев материалов: с магнитокалорическим эффектом, с высокой теплопроводностью и ферромагнитных материалов (ферромагнитной стали);
на Фиг.6 изображен вид Б тела вращения с постоянным магнитом, вокруг которого вращается поверхность тела вращения;
на Фиг.7 показан разрез В-В внедренного элемента с Фиг.5 и с Фиг.12.
на Фиг.8 показан общий вид устройства в неактивном состоянии, когда постоянные магниты, закрепленные в телах вращения, отведены от колеса;
на Фиг.9 показан общий вид устройства в активном состоянии, когда постоянные магниты, закрепленные в телах вращения, соприкасаются с колесом;
на Фиг.10 показан разрез Г-Г колеса (шины) с Фиг.9, колесо содержит внедренные элементы из гранул материала с магнитокалорическим эффектом;
на Фиг.11 показан разрез Г-Г колеса (шины) с Фиг.9, колесо содержит внедренные элементы другого варианта исполнения, состоящие из материала с магнитокалорическим эффектом, которые находятся в контакте с металлическим материалом с высокой теплопроводностью;
на Фиг.12 изображен разрез Г-Г колеса (шины) с Фиг.9, в котором реализуется вариант исполнения внедренных элементов, состоящих из чередующихся слоев материалов: с магнитокалорическим эффектом, с высокой теплопроводностью и ферромагнитных материалов (ферромагнитной стали);
на Фиг.13 изображен вид Д тела вращения с постоянными магнитами, закрепленными внутри и вращающимися вместе с телом вращения;
на Фиг.14 показан разрез тела вращения в варианте его исполнения из немагнитного металлического материала;
на Фиг.15 показано тело вращения, внешняя поверхность которого полностью образована магнитами;
на Фиг.16 показан развернутый разрез Е-Е поверхности колеса (шины) с Фиг.3 и график изменения температуры гранул из материала с магнитокалорическим эффектом.
Колесо транспортного средства с устройством предотвращения проскальзывания (Фиг.1) состоит из размещенных внутри корпуса транспортного средства постоянных магнитов 1, находящихся внутри тел вращения 2, причем постоянные магниты 1 имеют возможность выдвигаться в сторону колеса 3 (Фиг.2), и внедренных в колесо 3 элементов 4 (Фиг.3), выполненных из гранул материала с магнитокалорическим эффектом.
В варианте исполнения, изображенном на Фиг.1-7, постоянные магниты размещены внутри тел вращения неподвижно относительно геометрических осей тел вращения, а поверхности тел вращения, соприкасающиеся с колесом, подвижны относительно постоянных магнитов. На Фиг.6 изображена конструкция, в которой постоянные магниты не только неподвижны относительно геометрических осей тел вращения, но и конструктивно сами являются физическими осями тел вращения 2. В наиболее простом варианте исполнения внедренные элементы выполнены в виде гранул 4, внедренных при изготовлении в выступ протектора 5 колеса (шины). При необходимости предотвращения проскальзывания, постоянные магниты выдвигаются в сторону колеса (Фиг.2) и упираются в него поверхностью элементов вращения 2.
Для того чтобы обеспечить достаточно быструю передачу тепла (холода) к поверхности колеса, гранулы материала 4 с магнитокалорическим эффектом находятся в контакте с внедренными элементами 6 (Фиг.4) из металлического материала с высокой теплопроводностью (например, с медью или сталью).
Для повышения магнитной индукции в месте размещения магнитокалорического материала, в одном из вариантов в конструкции внедренных элементов используется вставка 7 (Фиг.5) из ферромагнитного материала (ферромагнитной закаленной стали), а магнитокалорический материал 4 послойно (Фиг.7) чередуется с металлическим материалом с высокой теплопроводностью 6 (например, с медью). Вставка 7 из стали образует сердечник шипа противоскольжения. В таком варианте исполнения магнитокалорический материал может быть использован в виде порошка, запрессованного между слоями металла (меди).
Для снижения трения при вращении поверхности тела вращения 2 вокруг магнита 1 их конструкция выполнена в виде шарикоподшипника с шариками 8 (Фиг.6).
Колесо транспортного средства с устройством предотвращения проскальзывания работает следующим образом: при отсутствии необходимости предотвращения проскальзывания размещенные на корпусе транспортного средства постоянные магниты 1 (Фиг.1) отведены от колеса 3 на расстояние, при котором магнитная индукция в теле колеса 3 минимальна.
При необходимости предотвращения проскальзывания, например при торможении в условиях гололеда, постоянные магниты 1 выдвигаются в сторону колеса (Фиг.2) и упираются в него поверхностями тел вращения 2 с минимальными потерями на трение. При этом внедренные элементы 4 из магнитокалорического вещества нагреваются за счет действия магнитного поля, тепло этого нагрева передается окружающему воздуху и телам вращения. Тепловой поток в месте контакта тел вращения за счет теплопроводности значительно выше теплового потока за счет охлаждения воздухом, поэтому охлаждение осуществляется преимущественно телами вращения.
Тепло к поверхности тела вращения передается либо через материал выступа 5 протектора, либо через находящиеся в контакте с элементами 4 элементы 6 из высокотеплопроводного металла (меди или стали). В одном из известных вариантов исполнения внедренных элементов магнитный поток через внедренные элементы усиливается за счет ферромагнитной вставки из стали 7, играющей роль шипа противоскольжения. Поверхности тел вращения 2 могут быть выполнены, например, в виде поверхностей подшипников с фигурными вырезами (см. Фиг.5) для улучшения контакта с элементами колеса или шипами противоскольжения. Охлаждение происходит за счет того, что детали перед соприкосновением с колесом имеют запас холода, расходуемый на охлаждение внедренных элементов 2.
Несмотря на то что поверхность колеса контактирует с телами качения 2 и взаимодействует с магнитами 1 поочередно, при этом внедренные элементы 4 также поочередно нагреваются и охлаждаются, результирующая температура после выхода колеса из-под последнего магнита будет ниже, чем после первого. Это происходит из-за того, что между взаимодействиями с магнитами 1 внедренные элементы 2 охлаждаются практически адиабатически, т.к. передача холода от них к окружающему воздуху минимальна по сравнению с передачей тепла теплопроводностью при контакте с телами вращения. В результате происходит периодический процесс охлаждения с чередованием нагрева и охлаждения, в котором по мере прохождения колеса под магнитами понижается как температура последующего нагрева (под действием магнитного поля), так и последующего охлаждения (в отсутствие магнитного поля). Избыточное тепло магниткалорического холодильного цикла отводится за счет теплопроводности в тела вращения (и в магниты 1 через шарики 8). Внедренные элементы 2 нагреваются только тогда, когда над ними находится магнит 1, и в этот же момент времени они получают возможность отвести избыточное тепло холодильного цикла через поверхность тел вращения. Изменение температуры гранул из материала с магнитокалорическим эффектом вдоль поверхности колеса (шины) показано на Фиг.16. В момент касания шиной льда она имеет запас холода, который расходуется на охлаждение поверхности шины и льда и примораживание поверхности шины. Если бы шина не была предварительно охлаждена, то при торможении, вследствие трения, ее температура и температура поверхности льда поднялась бы до температуры таяния льда, между шиной и льдом образовалась бы тонкая пленка воды, значительно снижающая коэффициент трения шины о лед.
После того как внедренные элементы из магнитокалорического материала 4, вследствие вращения колеса, выходят из зоны действия магнитного поля постоянных магнитов, они охлаждаются, а затем, вступив в тепловое взаимодействие с поверхностью льда, по которой катится колесо, через поверхность материала колеса (Фиг.3) или через вставки 6 из высокотеплопроводного материала (Фиг.4), или же через ферромагнитную 7 вставку (Фиг.5) обеспечивают частичное примораживание колеса, повышая коэффициент трения и предотвращая скольжение.
В другом варианте исполнения (Фиг.8-14) в тела вращения 9 вмонтированы постоянные магниты 10. Тела вращения 9 представляют собой, например, ролики заданной формы из пластмассы с низкой теплопроводностью. Как частный случай исполнения монолитный постоянный магнит может быть телом вращения (не показано на чертежах и вследствие простоты функционирования в описании не рассматривается), в этом случае поверхность тела вращения не теплоизолирется. Кроме того, магниты 10 могут быть смонтированы по окружности вплотную друг к другу, а внешняя их поверхность может быть ограничена телом вращения 9 (Фиг.15), в этом случае тело вращения образуется несколькими магнитами.
При необходимости предотвращения проскальзывания, например, при торможении в условиях гололеда, тела вращения 9 с постоянными магнитами 10 выдвигаются в сторону колеса (Фиг.9) и упираются в него поверхностями тел вращения 2 или магнитов 10. При этом внедренные элементы 4 из магнитокалорического вещества нагреваются за счет действия магнитного поля, тепло этого нагрева передается окружающему воздуху, телам вращения 9 и магнитам 10. Тепловой поток в месте контакта с магнитами 10 за счет теплопроводности значительно выше теплового потока за счет охлаждения воздухом или за счет контакта с телами вращения 9, поэтому охлаждение осуществляется преимущественно за счет теплоемкости постоянных магнитов 10.
В упрощенной конструкции колесо соприкасается непосредственно с постоянными магнитами 10 и тепло магнитокалорического холодильного цикла может отводиться за счет теплопроводности непосредственно к постоянным магнитам 10, что повышает полезный эффект использования массы конструкции.
Несмотря на то что поверхность колеса контактирует с магнитами 10 поочередно, при этом внедренные элементы 4 также поочередно нагреваются и охлаждаются, результирующая температура после выхода колеса из-под каждого следующего магнита будет ниже, чем после предыдущего. Это происходит из-за того, что между взаимодействиями с магнитами 10, в местах минимума магнитного потока, внедренные элементы 2 охлаждаются практически адиабатически, т.к. передача холода от них к телам вращения минимальна из-за низкой теплопроводности тела вращения в этой зоне. В результате происходит периодический процесс охлаждения с чередованием нагрева и охлаждения, в котором по мере прохождения колеса под магнитами 10 понижается как температура последующего нагрева, так и охлаждения. Избыточное тепло магниткалорического холодильного цикла отводится за счет теплопроводности в магниты 10. Внедренные элементы 2 нагреваются только тогда, когда над ними находится магнит 10, и в этот же момент времени они получают возможность отвести избыточное тепло холодильного цикла внутрь магнитов 10 через их поверхность.
На Фиг.10 изображен контакт ролика из теплоизолированного материала с колесом, в котором внедренные элементы представляют собой дисперсный магнитокалорический материал в виде гранул.
На Фиг.11 изображен контакт ролика из теплоизолированного материала с колесом, в котором внедренные элементы представляют собой магнитокалорический материал, находящийся в контакте с металлическим материалом в высокой теплопроводностью.
На Фиг.12 изображен контакт ролика из теплоизолированного материала с колесом, в котором реализуется известный вариант исполнения внедренных элементов, состоящих из чередующихся слоев материалов: с магнитокалорическим эффектом, с высокой теплопроводностью и ферромагнитных материалов (ферромагнитной стали).
Возможна также конструкция (Фиг.14), в которой тело вращения представляет собой массивный металлический ролик из немагнитного материала с высокой теплопроводностью (например, из алюминия), в который внедрены постоянные магниты 10, а между магнитами поверхность такого ролика теплоизолирована вставками 12 из пластмассы. В такой конструкции тепловой поток отводится в более массивное тело и с более высокой скоростью, что повышает эффективность цикла охлаждения.
Зона действия магнитного поля при изготовлении устройства может быть увеличена путем увеличения длины охватывающей колесо дуги из постоянных магнитов 1 (Фиг.2). Такая дуга в предельном случае может занимать значительную часть окружности колеса, не соприкасающейся с поверхностью.
Предлагаемое техническое решение позволяет обеспечивать примораживание колеса даже при нулевой и небольшой положительной температуре окружающего воздуха.
Источники информации
1. Заявка на изобретение 95106677/11, 25.04.1995, кл. B60C 11/16. Автомобильная шина, элемент противоскольжения, используемый для автомобильной шины, и способ предотвращения скольжения шины.
2. А.с. 1668829, кл. F25B 21/00. Роторный магнитный рефрижератор.
3. Магнитокалорический эффект (пресс-релиз лаборатории Эймса. Ames Laboratory). Группа компаний АМТ&С.(АМТ&С Group Ltd.) http://www.amtc.ru/publications/articles/2025/.
4. Патент РФ RU 2289892, кл. H05B 3/84. Системы и способы изменения границы раздела между льдом и объектом.
5. Патент РФ на полезную модель RU 127340, кл. B60C 11/16. Колесо транспортного средства с устройством предотвращения проскальзывания.