Термоэлектрический двигатель и сервомеханизм на его основе

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве привода для перемещения рабочих органов исполнительных механизмов, применяемых в точном машиностроении, приборостроении, робототехнике, в частности может быть использовано для создания сервомеханизмов различного назначения. Термоэлектрический двигатель содержит термоэлектрический модуль, сопряженный рабочими поверхностями с герметичными емкостями, заполненными рабочим телом. Герметичная емкость, расположенная с одной стороны модуля, выполнена в виде рабочей емкости, способной к обратимой деформации. Герметичная емкость, расположенная с другой стороны модуля, выполнена в виде буферной емкости, имеющей жесткую конфигурацию, а внутренние полости емкостей заполнены рабочим телом в виде жидкости и ее паров. Сервомеханизм на основе нескольких термоэлектрических двигателей содержит герметичную терморегулирующую емкость, сообщающуюся с буферными емкостями двигателей, терморегулирующая емкость сервомеханизма оборудована устройством регулирования внутренней температуры емкости. Использование изобретения позволит повысить мощность и увеличить рабочий интервал перемещения подвижной поверхности двигателя. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве привода для перемещения рабочих органов исполнительных механизмов, применяемых в точном машиностроении, приборостроении, робототехнике, в частности может быть использовано для создания сервомеханизмов различного назначения.

Известен термоэлектрический двигатель, содержащий термоэлектрический модуль, сопряженный рабочими поверхностями с герметичными емкостями, заполненными рабочим телом, причем герметичная емкость, расположенная с одной стороны модуля, выполнена в виде рабочей емкости, способной к обратимой деформации (см. патент RU 2302072, H02N 10/00, 2007).

Привод работает следующим образом. При необходимости перемещения подвижной платформы дается импульс питания термоэлектрического модуля той полярности, которая соответствует направлению движения. Термоэлектрический модуль с одного направления нагревает воздух одной сильфонной коробки, а с другого направления, соответственно, охлаждает воздух другой сильфонной коробки (перекачивает тепловую энергию из одной сильфонной коробки в другую), что приводит к деформациям сильфонных коробок и соответствующему перемещению подвижной платформы в нужном направлении.

Это техническое решение по выполняемой функции и достигаемому результату является наиболее близким к заявленному по выполняемым функциям и достигаемому результату. Оно принято в качестве ближайшего аналога (прототипа) заявленного термоэлектрического двигателя.

Недостатком прототипа является малый диапазон изменения давлений при перекачивании тепловой энергии из одной сильфонной коробки в другую, быстрое увеличение разницы температур между коробками, а следовательно, снижение КПД термоэлектрического модуля, следствием чего являются слабая мощность и малый рабочий интервал перемещения подвижной поверхности двигателя. Недостатком данного двигателя является также сложность формирования на его основе сервомеханизмов различного назначения.

Настоящее изобретение по п.1 направлено на устранение этих недостатков и решает техническую задачу повышения мощности и увеличения рабочего интервала перемещения подвижной поверхности двигателя.

Для решения этой технической задачи в термоэлектрическом двигателе, содержащем термоэлектрический модуль, сопряженный рабочими поверхностями с герметичными емкостями, заполненными рабочим телом, причем герметичная емкость, расположенная с одной стороны модуля, выполнена в виде рабочей емкости, способной к обратимой деформации, согласно изобретению герметичная емкость, расположенная с другой стороны модуля, выполнена в виде буферной емкости, имеющей жесткую конфигурацию, а внутренние полости емкостей заполнены рабочим телом в виде жидкости и ее паров.

В качестве рабочей емкости, способной к обратимой деформации, предпочтительно применена сильфонная коробка.

Внутренние поверхности емкостей, имеющие тепловой контакт с термоэлектрическим модулем, предпочтительно покрыты теплопроводящим капиллярно-пористым материалом, хорошо смачивающимся жидким рабочим телом.

Рабочая емкость предпочтительно содержит подпружинивающий элемент, поддерживающий давление паров рабочего тела внутри нее, отличающееся от давления внешней среды.

В качестве рабочего тела, находящегося внутри буферной и рабочей емкостей, применены сжижающиеся газы, например фреоны, хладоны, углекислый газ, углеводородные газы, или легкокипящие жидкости, например эфиры, спирты, вода и их смеси.

Рабочее тело, находящееся внутри рабочей емкости, может отличаться по своему составу от рабочего тела, находящегося в буферной емкости. Предпочтительно в качестве рабочего тела рабочей емкости применяют сжижающийся газ с высоким рабочим давлением (давлением при рабочей температуре двигателя), а в качестве рабочего тела буферной емкости применяют сжижающийся газ с низким рабочим давлением или легкокипящую жидкость.

На основе данных двигателей может быть создан сервомеханизм с большим числом степеней свободы передвижения рабочего конца манипулятора, содержащий несколько сопряженных двигателей, перемещающих друг друга и рабочий конец манипулятора.

Ближайшим аналогом заявленного сервомеханизма является сервомеханизм, известный из а.с. SU 434195, F15B 9/03, 1974.

Техническим результатом изобретения по п.8 является повышение эффективности работы отдельных двигателей.

Сервомеханизм согласно изобретению содержит несколько термоэлектрических двигателей по п.1, причем буферные емкости двигателей сообщаются друг с другом и с герметичной терморегулирующей емкостью сервомеханизма, которая снабжена устройством регулирования внутренней температуры емкости.

В качестве устройства регулирования температуры емкости могут быть применены холодильная установка, тепловой насос, резистивный нагреватель и т.п.

Сервомеханизм содержит устройство для подачи жидкого рабочего тела из терморегулирующей емкости сервомеханизма в буферные емкости двигателей и/или для возврата жидкого рабочего тела из буферных емкостей двигателей в терморегулирующую емкость сервомеханизма.

Сервомеханизм предпочтительно содержит устройство для удаления посторонних (неконденсирующихся) газов из рабочего тела, содержащегося в терморегулирующей емкости.

Использование заявленного изобретения позволит получить следующий технический результат.

При работе данного двигателя основная часть перекачиваемой термоэлектрическим модулем тепловой энергии идет на изменение давления внутри буферной и рабочей емкостей за счет изменения агрегатного состояния рабочего тела, и лишь небольшая доля перекачиваемой энергии идет на изменение температуры внутри емкостей. Малая разница температур между рабочими поверхностями термоэлектрического модуля позволит ему работать с высоким коэффициентом полезного действия в широком диапазоне нагрузок, так как при уменьшении разницы температур между спаями термоэлектрического модуля его холодильный коэффициент стремится к бесконечности.

В случае применения нескольких двигателей в составе сервомеханизма сообщение буферных емкостей друг с другом и с терморегулирующей емкостью сервомеханизма позволит дополнительно сгладить изменения давления и температуры в буферных емкостях либо за счет взаимной компенсации давлений при разнонаправленной работе двигателей, либо за счет регулирования температуры внутри терморегулирующей емкости, и, соответственно, внутри всех буферных емкостей, при однонаправленной работе двигателей.

Использование сжижающегося газа с высоким рабочим давлением в качестве рабочего тела рабочих емкостей позволит обеспечить высокую мощность двигателя при небольших размерах рабочих емкостей, а использование сжижающегося газа с низким рабочим давлением или легкокипящей жидкости в качестве рабочего тела буферных емкостей позволит снизить потери рабочего тела через неплотности системы, соединяющей буферные емкости друг с другом и с терморегулирующей емкостью сервомеханизма.

При использовании в качестве рабочего тела легкокипящей жидкости внутри системы сообщающихся буферных емкостей поддерживается разрежение и в систему возможен подсос атмосферного воздуха, ухудшающий ее работу. Включение в состав сервомеханизма устройства для удаления посторонних (неконденсирующихся) газов из терморегулирующей емкости позволит поддерживать содержание посторонних газов в рабочем теле на допустимом уровне.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 показана конфигурация двигателя в режиме передачи теплоты из буферной емкости в рабочую емкость; на фиг.2 показана конфигурация двигателя в режиме передачи теплоты из рабочей емкости в буферную емкость; на фиг.3 показана конструкция двигателя в разрезе; на фиг.4 показана конструкция одного из вариантов сервомеханизма.

Конструкция двигателя состоит из буферной емкости 1, термоэлектрического модуля 2 и рабочей емкости 3. Буферная емкость 1 содержит жесткую герметичную оболочку 4, плотно прилегающую к ней прослойку из капиллярно-пористого материала 5, жидкое рабочее тело 6 и пары рабочего тела 7. Рабочая емкость содержит способную к обратимой деформации герметичную оболочку 8, плотно прилегающую к ней прослойку из капиллярно-пористого материала 9, пружину 10, жидкое рабочее тело 11 и пары рабочего тела 12.

Конструкция сервомеханизма содержит буферные емкости 1, термоэлектрические модули 2, рабочие емкости 3, терморегулирующее устройство 13, терморегулирующую емкость 14, насос 15, систему паровых трубопроводов 16, систему жидкостных трубопроводов 17.

Работа двигателя осуществлена следующим образом.

На этапе нагрева рабочей емкости термоэлектрический модуль 2 перекачивает теплоту от стенок буферной емкости 1 к стенкам рабочей емкости 3. Пары рабочего тела 7, находящиеся внутри буферной емкости 1, конденсируются на капиллярно-пористом материале 5, соприкасающемся с охлаждаемыми стенками буферной емкости, передавая через капиллярно-пористый материал и стенки буферной емкости теплоту конденсации термоэлектрическому модулю. Давление паров рабочего тела внутри буферной емкости при этом снижается.

Термоэлектрический модуль, получая теплоту от стенок буферной емкости, передает ее стенкам рабочей емкости. Жидкое рабочее тело 11, смачивающее капиллярно-пористый материал 9, облицовывающий нагреваемые стенки рабочей емкости, под действием поступившей теплоты испаряется, повышая давление паров рабочего тела 12 внутри рабочей емкости. При повышении давления рабочая емкость деформируется и принимает форму, показанную на фиг.1, совершая работу против действия пружины 10 и против внешней силы, если таковая имеется.

На этапе охлаждения рабочей емкости термоэлектрический модуль 2 перекачивает теплоту от стенок рабочей емкости 3 к стенкам буферной емкости 1. Пары рабочего тела 12, находящиеся внутри рабочей емкости, конденсируются на капиллярно-пористом материале 9, соприкасающемся с охлаждаемыми стенками рабочей емкости, передавая через капиллярно-пористый материал и стенки рабочей емкости теплоту конденсации термоэлектрическому модулю. Давление паров рабочего тела внутри рабочей емкости при этом снижается. При снижении давления пружина 10 сжимает рабочую емкость, в результате она деформируется и принимает форму, показанную на фиг.2, совершая работу против внешней силы, если таковая имеется.

Термоэлектрический модуль, получая теплоту от стенок рабочей емкости, передает ее стенкам буферной емкости. Жидкое рабочее тело 6, смачивающее капиллярно-пористый материал 5, облицовывающий нагреваемые стенки буферной емкости, под действием поступившей теплоты испаряется, повышая давление паров рабочего тела 7 внутри буферной емкости.

В сервомеханизме, объединяющем несколько двигателей, пары рабочего тела из одной буферной емкости 1 могут перемещаться по системе паровых трубопроводов 16 в другие буферные емкости или в терморегулирующую емкость 14 либо обратно, в зависимости от тепловой нагрузки, создаваемой термоэлектрическими модулями 2. При этом в отдельных буферных емкостях может происходить изменение фазового состава рабочего тела - пересыхание или, наоборот, переполнение буферных емкостей. С целью не допустить пересыхания капиллярно-пористого материала в отдельных буферных емкостях 1 (или их переполнения жидкостью) предусмотрен насос 15, периодически подающий жидкое рабочее тело по системе жидкостных трубопроводов 17 во все буферные емкости 1, с последующим удалением избытка жидкого рабочего тела из буферных емкостей обратно в терморегулирующую емкость 14.

При однонаправленной работе всех двигателей сервомеханизма разность температур между всеми рабочими и всеми буферными емкостями может оказаться значительной, в результате КПД термоэлектрических модулей снизится. Для облегчения работы термоэлектрических модулей 2 предусмотрено терморегулирующее устройство 13, повышающее или понижающее температуру в системе сообщающихся емкостей путем регулирования температуры рабочего тела в терморегулирующей емкости 14.

Терморегулирующее устройство 13 повышает температуру в системе путем нагрева и испарения жидкого рабочего тела в терморегулирующей емкости 14. Образующиеся пары рабочего тела за счет образовавшегося перепада давлений перемещаются по системе паровых трубопроводов 16 в буферные емкости 1 двигателей, в которых конденсируются, передавая теплоту конденсации стенкам емкостей и повышая в них температуру.

Терморегулирующее устройство 13 понижает температуру в системе путем охлаждения и конденсации паров рабочего тела в терморегулирующей емкости 14. Пары рабочего тела из буферных емкостей 1 двигателей за счет образовавшегося перепада давлений перемещаются по системе паровых трубопроводов 16 в терморегулирующую емкость 14. Под действием пониженного давления паров в буферных емкостях 1 находящееся в них жидкое рабочее тело частично испаряется, отбирая теплоту испарения от стенок буферной емкости и понижая в ней температуру.

1. Термоэлектрический двигатель, содержащий термоэлектрический модуль, сопряженный рабочими поверхностями с герметичными емкостями, заполненными рабочим телом, причем герметичная емкость, расположенная с одной стороны модуля, выполнена в виде рабочей емкости, способной к обратимой деформации, отличающийся тем, что герметичная емкость, расположенная с другой стороны модуля, выполнена в виде буферной емкости, имеющей жесткую конфигурацию, а внутренние полости емкостей заполнены рабочим телом в виде жидкости и ее паров.

2. Термоэлектрический двигатель по п.1, отличающийся тем, что внутренние поверхности емкостей, имеющие тепловой контакт с термоэлектрическим модулем, покрыты теплопроводящим капиллярно-пористым материалом, хорошо смачивающимся жидким рабочим телом.

3. Термоэлектрический двигатель по п.1, отличающийся тем, что рабочая емкость содержит подпружинивающий элемент, поддерживающий давление паров рабочего тела внутри нее, отличающееся от давления внешней среды.

4. Термоэлектрический двигатель по п.1, отличающийся тем, что рабочая емкость выполнена в виде сильфонной коробки.

5. Термоэлектрический двигатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела применены сжижающиеся газы или легкокипящие жидкости.

6. Термоэлектрический двигатель по п.1, отличающийся тем, что рабочее тело, находящееся внутри рабочей емкости, отличается по своему составу от рабочего тела, находящегося в буферной емкости.

7. Термоэлектрический двигатель по п.6, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела рабочей емкости применен сжижающийся газ с высоким рабочим давлением, а в качестве рабочего тела буферной емкости применен сжижающийся газ с низким рабочим давлением или легкокипящая жидкость.

8. Сервомеханизм, отличающийся тем, что содержит несколько термоэлектрических двигателей по п.1, причем буферные емкости двигателей сообщаются друг с другом и с герметичной терморегулирующей емкостью сервомеханизма, которая снабжена устройством регулирования внутренней температуры емкости.

9. Сервомеханизм по п.8, отличающийся тем, что он содержит устройство для подачи жидкого рабочего тела из терморегулирующей емкости сервомеханизма в буферные емкости двигателей и/или для возврата жидкого рабочего тела из буферных емкостей двигателей в терморегулирующую емкость сервомеханизма.

10. Сервомеханизм по п.8, отличающийся тем, что он содержит устройство для удаления посторонних (неконденсирующихся) газов из рабочего тела, находящегося в терморегулирующей емкости.