АВТОНОМНОЕ УСТРОЙСТВО НАКОПЛЕНИЯ, ВЫСВОБОЖДЕНИЯ И ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРИБОРА
SELF-CONTAINED DEVICE FOR ENERGY ACCUMULATION, RELEASE AND TRANSMISSION FOR SUPPLY OF ELECTRIC DEVICE

Изобретение относится к автономному устройству накопления и высвобождения энергии для питания электрического прибора.
Более конкретно, изобретение относится к автономному устройству накопления и высвобождения энергии для питания электрического прибора, в частности, электрического прибора летательного аппарата, такого как бортовой датчик.
Питание бортовых датчиков летательного аппарата представляет собой реальную проблему. Поскольку летательные аппараты все более подвергаются контролю, это требует присутствия датчиков в различных точках их фюзеляжей или их двигателей, например, таких как датчики давления, температурные датчики, датчики вибрации или тензометры. Как известно, эти датчики связаны с одним или несколькими блоками контроля, которые обычно расположены на удалении от упомянутых датчиков, что требует прокладки проводов, предназначенных для передачи данных или по меньшей мере предназначенных для электрического питания этих датчиков через зоны фюзеляжа или через зоны двигателей упомянутых летательных аппаратов, которые не обязательно предусмотрены для прокладки таких проводов. Прокладка проводов через эти зоны или проектирование этих зон для облегчения прокладки этих проводов может оказаться сложной задачей. В зависимости от пересекаемых зон прокладка проводов может также привести к снижению общих характеристик летательных аппаратов как по причине нарушения герметичности при прохождении через перегородки, так и по причине необходимости обеспечения целостности упомянутых проводов.
Кроме того, прокладка таких проводов в летательном аппарате приводит к увеличению общей массы упомянутого летательного аппарата, что сказывается, в частности, на расходе топлива.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Для преодоления этих недостатков одним из решений является применение технологии рекуперации энергии самим датчиком, известной под англо-саксонским выражением ʺenergy harvestingʺ. Эта технология позволяет некоторым датчикам рекуперировать энергию в зависимости от различных фаз полета летательного аппарата, моментально преобразуя ее в электрическую энергию для своего питания, и обеспечивает, таким образом, их энергетическую автономность.
В настоящее время известна также рекуперация электрической энергии из вибрационной энергии или тепловой энергии. В документах US-3.352.108-A, US-1.939.776-A и US-795.761-A1 описаны устройства, обеспечивающие рекуперацию механической энергии при помощи разности температуры. В продолжение этой темы в документе US-2012/313575-А1 раскрыта рекуперация энергии из колебаний подвески автотранспортного средства.
Такая рекуперация находит свое применение, в частности, в датчиках, расположенных снаружи или внутри двигателя летательного аппарата. Однако эти решения получения энергии являются проблематичными. Так, например, вибрационная энергия, которую обычно рекуперируют при помощи пьезоэлектрических устройств, позволяет рекуперировать энергию в пределах определенной частоты, но как только вибрации отходят от этой частоты, эта технология практически больше не позволяет рекуперировать энергию. Точно так же, рекуперация тепловой энергии предполагает наличие постоянной разности температуры, которая не обязательно присутствует в всех фазах полета летательного аппарата.
Как правило, рекуперированную энергию используют сразу, например, преобразуя ее в электрическую энергию, как указано в документе WO 2011/158.127-А1.
Однако насущной проблемой является также накопление рекуперированной таким образом электрической энергии. Батареи плохо переносят высокие температуры, а также экстремальные перепады температуры. Поэтому их нельзя устанавливать во всех зонах летательного аппарата, например, вблизи двигателей, так как их можно использовать только при низких температурах. Кроме того, их вес тоже сказывается на расходе топлива в летательном аппарате.
Следовательно, существует реальная потребность в решении, позволяющем использовать автономный и надежный источник энергии и надежно накапливать эту энергию, при уменьшенной массе на борту.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение призвано устранить вышеупомянутые недостатки и предложить автономное устройство накопления и высвобождения энергии для питания электрического прибора вышеупомянутого типа, содержащее средства рекуперации энергии, производимой изменениями давления, которым подвергается летательный аппарат, и механического накопления этой энергии.
В связи с этим объектом изобретения является автономное устройство накопления и высвобождения энергии для питания электрического прибора, в частности, электрического прибора вышеупомянутого типа для летательного аппарата, отличающееся тем, что содержит:
- первое средство, выполненное с возможностью преобразования изменения окружающего давления, которому подвергается устройство, в механическую энергию,
- по меньшей мере одно второе средство, выполненное с возможностью механического накопления упомянутой механической энергии путем ее преобразования в виде потенциальной механической энергии,
- третье средство, выполненное с возможностью запуска высвобождения потенциальной механической энергии, содержащейся в упомянутом по меньшей мере одном втором средстве, путем ее преобразования опять в виде механической энергии,
- четвертое средство, выполненное с возможностью преобразования воспроизведенной механической энергии в электрическую энергию с целью питания упомянутого электрического прибора.
Согласно другим отличительным признакам изобретения:
- первое средство содержит по меньшей мере одну подвижную мембрану, которая является подпружиненной, содержит по меньшей мере одну сторону, на которую действует определенное давление, и противоположную сторону, на которую действует упомянутое окружающее давление, при этом упомянутая мембрана выполнена с возможностью перемещаться в ответ на изменение упомянутого окружающего давления, производя при своем перемещении упомянутую механическую энергию, при этом упомянутое первое средство является, например, анероидной коробкой,
- упомянутое по меньшей мере одно второе средство содержит по меньшей мере один упругий элемент, выполненный с возможностью преобразования механической энергии в потенциальную энергию, накапливаемую в упомянутом упругом элементе, и с возможностью преобразования накопленной потенциальной энергии в воспроизведенную механическую энергию, и блокирующий элемент, выполненный с возможностью блокировки упомянутого упругого элемента в конфигурации, в которой он сохраняет упомянутую потенциальную энергию,
- третье средство выполнено с возможностью освобождения упомянутого блокировочного элемента таким образом, чтобы разблокировать упомянутый упругий элемент в ответ на переход определенного порога давления давлением окружающей среды устройства,
- четвертое средство содержит генератор постоянного тока,
- блокировочный элемент содержит храповое устройство, содержащее по меньшей мере один зубчатый сектор, в частности кремальеру или храповое колесо, неподвижно соединенное в движении с упругим элементом, и собачку, выполненную с возможностью взаимодействовать с упомянутым зубчатым сектором, препятствуя любому движению упомянутого зубчатого сектора и упругого элемента, соответствующему высвобождению потенциальной энергии, накопленной в упомянутом упругом элементе,
- третье средство выполнено с возможностью отводить собачку от зубчатого сектора в ответ на переход определенного порога давления давлением окружающей среды устройства,
- третье средство содержит по меньшей мере один подвижный элемент, выполненный с возможностью отводить собачку от зубчатого сектора, и подвижную мембрану, неподвижно соединенную с упомянутым отводящим элементом, которая является подпружиненной, содержит сторону, на которую действует определенное давление, и противоположную сторону, на которую действует окружающее давление, и выполнена с возможностью перемещения, как только давление окружающей среды устройства переходит определенный порог давления, чтобы привести в действие упомянутое отводящее средство.
Объектом изобретения является также способ питания электрического прибора в зависимости от окружающего давления, действующего на упомянутый прибор, при этом упомянутый прибор содержит вышеупомянутое автономное средство накопления и высвобождения энергии, отличающийся тем, что содержит:
- первый этап, на котором изменение окружающего давления, действующего на устройство, преобразуют в механическую энергию, которая одновременно накапливается в виде потенциальной энергии в упомянутом по меньшей мере одном упругом элементе второго средства,
- второй этап, который следует за первым этапом и на котором потенциальная энергия сохраняется в упомянутом по меньшей мере одном упругом элементе второго средства, пока окружающее давление не перейдет определенный порог давления,
- третий этап, на котором, как только окружающее давление переходит определенный порог давления, третье средство освобождает второе средство таким образом, чтобы высвободить потенциальную энергию, которую одновременно преобразуют в воспроизведенную механическую энергию, затем в электрическую энергию при помощи четвертого средства, и на котором электрические прибор питают электрической энергией.
Наконец, объектом изобретения является автономный электрический прибор, выполненный с возможностью получения питания в зависимости от высоты полета упомянутого летательного аппарата, отличающийся тем, что содержит по меньшей мере одно описанное выше устройство, при этом упомянутое устройство подвергается действию давления, окружающего летательный аппарат.
Изобретение, его другие детали, отличительные признаки и преимущества будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 - схема, иллюстрирующая взаимодействие между различными элементами заявленного устройства.
Фиг. 2 - схематичный вид заявленного устройства.
Фиг. 3А и 3В - детальные виды второго средства заявленного устройства в двух рабочих положениях.
Фиг. 4А и 4В - детальные виды второго и третьего средств заявленного устройства в двух рабочих положениях.
Фиг. 5 - схематичный детальный вид четвертого средства заявленного устройства.
Фиг. 6 - схема первой хронологии этапов способа питания электрического прибора при помощи заявленного устройства, применяемая в течение полного полета.
Фиг. 7 - схема второй хронологии этапов способа питания электрического прибора при помощи заявленного устройства, применяемая между двумя последовательными полетами.
В дальнейшем описании идентичные детали или детали, имеющие сходные функции, обозначены одинаковыми цифровыми позициями.
На фиг. 1 показаны элементы заявленного устройства 10 накопления и высвобождения энергии для питания электрического прибора, в частности, электрического прибора 12 летательного аппарата, а также функциональные взаимодействия между упомянутыми элементами.
Электрический прибор 12 может, в частности, представлять собой бортовой датчик, такой как датчик давления, температурный датчик, тензометр или любой другой датчик, требующий электрического питания для своей работы. В рамках изобретения электрический прибор может быть также прибором любого другого типа и представлять собой систему сигнализации или любую другую электрическую систему.
Согласно изобретению, устройство 10 является автономным и обеспечивает электрическое питание прибора 12 через известное электрическое соединение 14, которое, по возможности, является максимально коротким, при этом устройство 10 находится в месте, где можно встретить достаточный градиент давления для приведения в действие устройства 10.
Для этого устройство 10 содержит первое средство 16, которое выполнено с возможностью преобразовывать изменение окружающего давления, действующего на устройство 10, в механическую энергию Е1. Это первое устройство 16 связано при помощи механического соединения 18 по меньшей мере с одним вторым средством 20, 22, которое выполнено с возможностью механического накапливания упомянутой механической энергии Е1 путем ее преобразования в виде потенциальной механической энергии ЕР. В частности, устройство содержит второе средство 20, которое выполнено с возможностью механического накапливания упомянутой механической энергии Е1 путем ее преобразования в виде потенциальной механической энергии ЕР. Кроме того, устройство содержит второе средство 22, которое выполнено с возможностью сохранять эту накопленную потенциальную механическую энергию ЕР.
Устройство 10 содержит также третье средство 24, которое выполнено с возможностью управлять высвобождением вышеупомянутой потенциальной механической энергии ЕР для ее воспроизведения в виде механической энергии Е2. Третье средство выполнено с возможностью действовать механически на второе средство 20, 22, например, через механическое соединение 26.
Кроме того, устройство 10 содержит также четвертое средство 28, которое выполнено с возможностью преобразования воспроизведенной механической энергии Е2 в электрическую энергию EL, которая может питать упомянутый электрический прибор 12. Четвертое средство 28 связано с вторым средством 20, 22 через механическое соединение 30 и с электрическим прибором 12 через электрическое соединение 14.
Различные средства устройства 10 предназначены для последовательного применения во время цикла полета летательного аппарата, содержащего это устройство 10. Упомянутый цикл представлен, например, на фиг. 6 и 7, каждая из которых иллюстрирует вариант изобретения. Тем не менее, в каждом из этих вариантов различные средства устройства 10 работают в соответствии с одним и тем же способом. Упомянутый способ содержит:
- первый этап STEP1, на котором производят механическую энергию Е1 и накапливают ее в виде потенциальной энергии ЕР;
- второй этап STEP2, на котором потенциальную энергию ЕР сохраняют и по истечении которого ее высвобождают;
- третий этап STEP3, на котором упомянутую потенциальную энергию ЕР преобразуют в механическую энергию Е2 и на котором механическую энергию Е2 одновременно преобразуют в электрическую энергию EL.
Фиг. 1 иллюстрирует также соответствующее участие различных средств устройства 10 на этих этапах.
Первое средство 16 и вторые средства 20, 22 применяют одновременно на этапе STEP1 для производства механической энергии Е1 и ее накапливания в виде потенциальной энергии ЕР.
Вторые средства 20, 22 применяют также на втором этапе STEP2, во время которого сохраняют потенциальную энергию ЕР. Третье средство 24 применяют для разблокировки вторых средств 20, 22. Третье средство 24 применяют также для запуска третьего этапа STEP3, на котором соответственно опять применяют:
- вторые средства 20, 22, которые преобразуют в обратном направлении потенциальную энергию ЕР в механическую энергию Е2;
- четвертое средство 28, которое одновременно преобразует механическую энергию Е2 в электрическую энергию EL;
- и электрический прибор 12, который получает питание от четвертого средства 28.
Далее следует описание различных этапов STEP1, STEP2, STEP3.
Сначала будут описаны различные средства 16, 20, 22, 24, 28 устройства 10.
0
В предпочтительном варианте выполнения изобретения, как показано на фиг. 2, первое средство 16 содержит по меньшей мере одну подвижную мембрану 32, подпружиненную упругим средством 34, которая содержит по меньшей мере одну сторону 36, на которую действует определенное давление Р, и противоположную сторону 38, на которую действует окружающее давление Р, действию которого подвергается устройство 10. Эта подвижная мембрана 32 выполнена с возможностью перемещаться в ответ на изменение упомянутого окружающего давления Р, производя при своем перемещении механическую энергию Е1.
0
В рамках изобретения первое средство 16 может быть, например, анероидной коробкой 16, содержащей две расположенные друг против друга стенки или мембраны 32, между которыми установлена пружина 34 и которые ограничивают герметичную камеру, находящуюся под давлением Р. Обе стенки 32 являются подвижными и могут перемещаться под действием изменения давления Р и приводить в движение шток 40, неподвижно соединенный с одной из стенок или мембран 32, преобразуя, таким образом, изменение давления Р в движение штока 40, что обеспечивает получение механической энергии Е1.
Эта механическая энергия Е1 может быть преобразована в потенциальную энергию ЕР вторым средством 20, 22. Для этого второе средство 20, 22 содержит по меньшей мере один упругий элемент 20, выполненный с возможностью преобразовывать механическую энергию Е1 в потенциальную энергию ЕР, накапливаемую в упомянутом упругом элементе 20, и преобразовывать в обратном направлении накопленную потенциальную энергию ЕР для ее воспроизведения в виде воспроизведенной механической энергии Е2. На фиг. 2 в качестве примера, не ограничивающего изобретение, показан первый поворотный рычаг 42, который связан с концом штока 40.
Таким образом, понятно, что шток 40 и первый рычаг 18 образуют механическое соединение 18 между первым средством 16 и вторым средством 20, 22.
В представленном примере упругий элемент 20 содержит спиральную пружину 44, которая соединена со штоком 40 и которая позволяет накапливать энергию в виде потенциальной энергии ЕР и воспроизводить ее в виде воспроизведенной механической энергии Е2. Понятно, что эта конфигурация не ограничивает изобретение и что упругий элемент может содержать пружину другого типа, отличную от спиральной пружины 44, например, геликоидальную пружину, или любое другое упругое средство, такое как пневматический элемент или элемент из эластомерного материала, что не меняет сущности изобретения.
Кроме того, второе средство 20, 22 содержит блокировочный элемент 22, выполненный с возможностью блокировки упомянутой пружины 44 упругого элемента 20 в конфигурации, в которой она сохраняет потенциальную энергию ЕР.
Для этого, как показано на фиг. 2-4В, блокировочный элемент 22 предпочтительно содержит храповое устройство 46, содержащее по меньшей мере один зубчатый сектор 48, в частности, кремальеру или храповое колесо, которое неподвижно соединено в движении с упругим элементом 20, и собачку 50, которая выполнена с возможностью отходить от зубчатого сектора 48 в направлении перемещения упомянутого сектора 48 и взаимодействовать с упомянутым зубчатым сектором 48, чтобы препятствовать любому движению упомянутого зубчатого сектора 48 в обратном направлении и, следовательно, любому движению освобождения пружины 44 упругого элемента 20. Действительно, такое движение соответствовало бы высвобождению потенциальной энергии ЕР, накопленной в упомянутом упругом элементе 20, и его следует избегать, чтобы обеспечивать сохранение потенциальной энергии ЕР. На фиг. 2 показан, например, поворотный зубчатый сектор 48, который связан с концом первого рычага 42 и может быть заблокирован собачкой 50. Храповое устройство 46 показано на фиг. 3А и 3В.
Как показано на фиг. 3А, поворот зубчатого сектора 48 в первом направлении R1 позволяет двум зубцам 52 собачки 50 отойти от зубцов 54 зубчатого сектора 48, тогда как поворот зубчатого сектора 48 во втором направлении R2, противоположном первому направлению R1, как показано на фиг. 3В, позволяет зубцам 52 собачки 50 застопориться в зубцах 54 зубчатого сектора 48. Таким образом, можно обеспечивать поворот первого рычага 42, описанного выше со ссылками на фиг. 2, в направлении, соответствующем созданию напряжения пружины 44 при помощи храпового устройства 46, и блокировать его поворот в направлении, противоположном первому направлению R1, чтобы поддерживать пружину 44 под напряжением.
S
В предпочтительном варианте выполнения изобретения третье средство 24 выполнено с возможностью освобождения блокировочного элемента 22 таким образом, чтобы разблокировать упругий элемент 20 и, следовательно, его пружину 44 в ответ на переход определенного порога P давления давлением Р, присутствующим в окружающей среде устройства 10.
S
1
S
S
В частности, третье средство 24 выполнено с возможностью приподнимать собачку 50 над зубчатым сектором 48, как только давление Р в окружении устройства 10 переходит определенный порог P давления. Для этого, как показано на фиг. 4А и 4В, третье средство 24 содержит по меньшей мере один отводящий элемент 56, который выполнен с возможностью отводить собачку 50 от зубчатого сектора 48, и подвижную мембрану 58, неподвижно соединенную с упомянутым отводящим элементом 56 и подпружиненную в сторону своего положения покоя. Сторона 60 мембраны подвергается действию определенного давления Р, и противоположная сторона 62 мембраны, на которую действует окружающее давление Р, может перемещаться после перехода определенного порога P давления, чтобы приводить в действие упомянутый отводящий элемент 56. Например, отводящий элемент 56 выполнен в виде второго рычага 56, неподвижно соединенного с мембраной 58 и выполненного с возможностью взаимодействовать с третьим рычагом 64, соединенным во вращении с собачкой 50, чтобы способствовать его повороту, как только окружающее давление Р переходит через определенный порог P давления, как показано на фиг. 4В.
Понятно, что второй рычаг 56 и третий рычаг 64 образуют механическое соединение 36 между третьим средством 24 и вторыми средствами 20, 22.
Понятно также, что для нормального осуществления изобретения можно предусмотреть любой другой вариант выполнения третьего средства 24.
Освобождение зубчатого сектора 48 приводит к повороту упомянутого зубчатого сектора 48 и к передаче этого движения на шток 42 и, следовательно, позволяет опять преобразовать потенциальную энергию ЕР, накопленную пружиной 44, в механическую энергию Е2. Зубчатый сектор 48 или шток 42 может быть связан, возможно, через соответствующее устройство передачи движения, с четвертым средством 28 для преобразования воспроизведенной таким образом механической энергии Е2 в электрическую энергию EL. Соединение зубчатого сектора 48 или штока 42 с четвертым средством 28 схематично показано на фиг. 2 в виде зубчатого колеса.
Четвертое средство 23 более детально показано на фиг. 5 в виде генератора постоянного тока, содержащего ось 66, неподвижно соединенную с катушкой 68, которая установлена с возможностью вращения в воздушном зазоре 70 магнита 72. Понятно, что четвертое средство 28 можно выполнить в другом виде, например, в виде пьезоэлектрического устройства.
В этой конфигурации способ питания электрического прибора в зависимости от окружающего давления Р, действующего на упомянутый электрический прибор, содержит различные этапы, связанные с повышением или понижением окружающего давления Р.
В целом, способ содержит первый этап STEP1, на котором изменение окружающего давления, действующего на прибор 10, то есть понижение или соответственно повышение упомянутого окружающего давления Р, преобразуют в механическую энергию Е1 и одновременно накапливают в виде потенциальной энергии ЕР в пружине 44 упругого элемента 20 второго средства 20, 22. Во время этого этапа STEP1 изменение давления Р приводит в действие, например, анероидную коробку 16, которая приводит в движение шток 40, действующий на первый рычаг 42, который, в свою очередь, действует на пружину 44.
S
S
Затем следует второй этап STEP2, на котором, пока окружающее давление Р не переходит определенный порог P, то есть пока оно остается ниже (соответственно выше) упомянутого определенного порога P, потенциальная энергия ЕР сохраняется в пружине 44 второго средства 20, 22. Во время этого этапа упругий элемент 20 и, в частности, его пружина 44 остается заблокированной под напряжением храповым устройством 46.
S
После этого наступает третий этап STEP3, на котором, как только окружающее давление Р переходит определенный порог P, третье средство 24 освобождает второе средство 20, 22, которое высвобождает потенциальную энергию Р, которая одновременно воспроизводится в виде механической энергии Е2, затем четвертое средство 24 преобразует ее в электрическую энергию EL. Таким образом, в ходе этой фазы движение мембраны 58 приводит к приведению в действие второго рычага 56 и к повороту собачки 50, что позволяет освободить зубчатый сектор 48 храпового устройства 46 и, следовательно, разблокировать пружину 44.
Во время этого третьего этапа STEP3 происходит питание электрического прибора 12 электрической энергией EL.
На фиг. 6 и 7 представлены две различные хронологии этапов заявленного способа питания, проявляющиеся соответственно во время полного полета VOL или во время двух последовательных полетов VOL N, VOL N+1.
На фиг. 6 способ прежде всего содержит этап STEP1, на котором изменение давления Р позволяет производить механическую энергию Е1 и одновременно преобразовывать ее в потенциальную механическую энергию ЕР. Этот этап происходит в фазе набора высоты, при этом давление Р меняется, например, от давления порядка 1013 миллибар, если не считать некоторых колебаний в зависимости от высоты аэропорта, откуда взлетает летательный аппарат, до давления около 300 миллибар при высоте крейсерского полета в 30 000 футов.
S
На этой высоте крейсерского полета летательного аппарата происходит этап STEP2, во время которого сохраняется потенциальная энергия ЕР. Когда летательный аппарат снижается, окружающее давление Р повышается и переходит порог P, который в ходе этапа STEP3 запускает высвобождение потенциальной энергии ЕР и одновременно ее преобразование в воспроизведенную механическую энергию Е2, затем в электрическую энергию EL. Эта конфигурация находит свое конкретное применение для датчика, который должен получать питание только во время снижения, например, для датчика, который должен быть активирован в момент приземления или перед приземлением.
На фиг. 7 этап STEP1, во время которого изменение давления Р позволяет производить механическую энергию Е1 и преобразовывать ее в потенциальную механическую энергию ЕР, происходит в фазе снижения в ходе первого полета, при этом окружающее давление повышается, например, от 300 миллибар до 1013 миллибар.
S
Затем во время фазы стоянки на земле летательного аппарата наступает этап STEP2, на котором сохраняется потенциальная энергия ЕР. Когда летательный аппарат опять взлетает, окружающее давление Р понижается и переходит порог P, который во время этапа STEP3 запускает высвобождение потенциальной энергии ЕР и воспроизведение механической энергии Е2 и ее преобразование в электрическую энергию EL.
Эта конфигурация находит свое конкретное применение для прибора, который должен получать питание только при наборе высоты, например, для питания датчика измерения тяги двигателя летательного аппарата.
Естественно, изобретение можно применять для летательного аппарата, содержащего автономный электрический прибор, выполненный с возможностью получения питания в зависимости от высоты полета упомянутого летательного аппарата, что позволяет упростить и ограничить прокладку проводов такого летательного аппарата.