ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МЕХАНИЧЕСКИЙ МАНИПУЛЯТОР
THERMOELECTRIC MECHANICAL HANDLER

Изобретение относится к системам теплообмена.
Известно большое количество манипуляторов на основе электрических двигателей, электромагнитов, пневматических и гидравлических устройств [1].
Недостатком подобного типа устройств является то, что для формирования сложной траектории движения манипулятора требуются кинематически сложные механические структуры. Кроме того, высокой сложностью обладают компьютерные алгоритмы по управлению такими манипуляторами. Для упрощения конструкции при одновременном повышении точности и мощности манипулятора целесообразно использовать трубчатые и цилиндрические конструкции, выполненные из материалов, изменяющих свои геометрические размеры при температурном воздействии.
Цель изобретения - повышение точности и мощности манипулятора.
Цель достигается за счет использования полупроводниковых термоэлектрических устройств, которые позволяют создать градиенты температур в отдельных узлах механической конструкции, приводящие к изменению ее геометрических размеров или ориентации в пространстве, что вызывает целенаправленное воздействие в выбранном направлении.
На чертеже представлена конструкция термоэлектрического механического манипулятора.
Конструкция термоэлектрического устройства представляет собой трубчатую 1 или каркасную 2 структуру, находящуюся в кондуктивном контакте с горячими и холодными спаями термомодулей 3.
Устройство работает следующим образом.
Полупроводниковые термомодули 3 в зависимости от направления и силы тока питания формируют на своих спаях перепады температур фиксированной величины. Размещение термомодуля 3 внутри металлического цилиндра 1 или стержневого каркаса 2 вызовет изменение геометрических размеров при нагреве и охлаждении отдельных участков конструкции, что приведет к регулируемому изгибу конструкции в целом. Путем реверса тока питания можно изменить градиент температуры на противоположный и вызвать обратный прогиб конструкции. Величина прогиба пропорциональна температурному перепаду, который в свою очередь пропорционален току питания полупроводникового термомодуля 3. Быстродействие манипулятора ограничивается инерционностью тепловых процессов. Устройство может работать в агрессивных средах при отсутствии гравитации, в вакууме, в широком диапазоне механических, биологических и тепловых воздействий. Температура окружающей среды не оказывает существенного влияния на работу манипулятора, так как полупроводниковый термомодуль 3 формирует относительный перепад температур между спаями вне зависимости от абсолютного значения температуры среды. Инерционность тепловых процессов позволяет осуществить плавный режим работы манипулятора без рывков.
Помимо конструкции манипулятора с прогибом, полупроводниковые термоэлектрические модули позволяют реализовать конструкции с изменением объема манипулятора (твердой, жидкой или газообразной фазы), а также имеется возможность создания манипулятора с поступательным перемещением исполнительного механизма вдоль выбранной оси. Причем можно получить с высокой точностью микроскопические перемещения при создании мощного усилия в области контакта.
Для усиления эффекта пространственного прогиба манипулятора можно использовать биметаллические материалы или сплавы с термической «памятью формы». Размещение нескольких термомодулей вдоль оси манипулятора позволяет увеличить диапазон прогиба. Для пространственного управления манипулятором необходимо размещать термомодули с взаимно перпендикулярной ориентацией горячих и холодных спаев. Имеется возможность для создания конструкции искусственного щупальца с возможностью плавного изгиба и захвата по любым направлениям. Пространственное изменение под действием температуры в металлах сопровождается возникновением больших усилий, позволяющих создать мощный манипулятор произвольной длины с широким диапазоном пространственных перемещений. За счет изменения геометрии конструкции можно создавать манипулятор с малыми перемещениями при больших усилиях, а при увеличении рычага, наоборот, с малыми усилиями при больших перемещениях.
Использование представленного устройства позволит реализовывать микроминиатюрные конструкции для компонентов функциональной микроэлектроники. Кроме того, базовая конструкция манипулятора может быть трансформирована в клапанные механизмы, дозирующие устройства, параметрические регуляторы, датчики перемещения, давления, температуры.
Литература
1. Исмаилов Т.А. Термоэлектрические полупроводниковые устройства и интенсификаторы теплопередачи. - СПб.: Политехника, 2005.