Пристрій для одержання механічної роботи від джерела нетеплової енергії

1. Пристрій для одержання механічної роботи від джерела нетеплової енергії, що містить корпус; робочий механізм, що включає робочу камеру зі змінним об'ємом і кінематичну пару, з можливістю зворотно-поступального руху відносно корпуса; системи напуску і вакуумного відкачування робочого середовища з робочої камери; виконавчий механізм, який відрізняється тим, що пристрій додатково містить вакуумну камеру декомпенсації з вакуумним насосом, в яку поміщений робочий механізм. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що робочий механізм виконаний у вигляді двох опозитних сильфонів, рухливі торцеві поверхні яких розташовані усередині вакуумної камери декомпенсації і жорстко прикріплені до штоків, які сполучені в кінематичну пару, так що обидва сильфони утворюють єдину силову пару з можливістю їх одночасного синхронного руху в одну і іншу сторони. 3. Пристрій за пп. 1, 2, який відрізняється тим, що штоки опозитних сильфонів, які утворюють кінематичну пару, сполучені ексцентричною віссю кривошипа кривошипно-шатунового механізму, з можливістю їх одночасного синхронного руху в одну і іншу сторони з постійним, під час робочого ходу, зусиллям на колінвал кривошипно-шатунового механізму, при цьому кривошипно-шатуновий механізм розміщений усередині вакуумної камери декомпенсації, а робочий торець його колінвала герметично виведений за межі корпусу вакуумної камери декомпенсації і приєднаний до виконавчого механізму. 4. Пристрій за пп. 1, 2, який відрізняється тим, що рухливі торцеві поверхні опозитних сильфонів сполучені жорстко між собою єдиним штоком, з можливістю одночасного синхронного руху в одну і іншу сторони з постійним, під час робочого ходу, зусиллям на шток, робочий торець якого герметично виведений за межі корпусу вакуумної камери 2 (19) 1 3 60364 4 бран, які розділяють порожнину вакуумної камери декомпенсації, так, що її вакуумна порожнина розташована між мембранами, при цьому мембрани сполучені жорстко між собою єдиним штоком так, що утворюють єдину силову пару, з можливістю одночасного синхронного руху, відносно корпуса вакуумної камери декомпенсації, і вигину в одну і іншу сторони, з постійним, під час робочого ходу, зусиллям на шток, робочий торець якого герметично виведений за межі корпусу вакуумної камери декомпенсації і приєднаний до виконавчого механізму. 10. Пристрій за пп. 1, 9, який відрізняється тим, що робочий механізм виконаний у вигляді послідовно розташованих на штоку додаткових мембран, опозитно попарно вакуумнощільно закріплених по обидві сторони вакуумної камери декомпенсації. 11. Пристрій за пп. 1-10, який відрізняється тим, що як виконавчий механізм використані кривошипно-шатуновий механізм або генератор електричного струму, або рухлива частина лінійного генератора електричного струму, або редуктор для передачі обертання на вал силової установки. Пристрій належить до галузі машинобудування, зокрема, до розробки двигунів, в яких використовується зовнішнє підведення енергії для генерування механічної роботи, і може бути використаний для створення двигунів, а так само комбінованих автономних енергетичних агрегатів, для забезпечення електроживленням, зокрема, у високогірних умовах і для космічних апаратів, працюючих у відкритому космосі. Відомі атмосферні двигуни, принцип дії яких заснований на використанні атмосферного тиску в якості зовнішнього джерела нетеплової енергії, яка перетворюється в механічну роботу. Приміром, пристрій, в якому атмосферний тиск використовується для отримання механічної роботи, містить класичну циліндропоршневу групу з двох поршнів, пов'язаних загальним штоком, які рухаються зворотно-поступально в нерухомих циліндрах, при цьому зворотно-поступальний хід штока передається на основний вал за допомогою храпового механізму (патент GB 2 023746 A, F01В29/02, 1980р.). Недоліком такого пристрою є складність конструкції, в якій передача механічної роботи храповим механізмом на основний вал, через закриту вакуумну оболонку, не дає можливість отримати прийнятний коефіцієнт корисної дії (далі - ККД) для практичного використання цього пристрою. Відомий пристрій, в якому, для отримання механічної роботи, як зовнішнє джерело енергії використовується атмосферний тиск (патент DE 41 31 627 А1, F01B29/02, 25.03.1993p.). Такий пристрій складається з нерухомого циліндра, в якому зворотно-поступально рухається поршень, пов'язаний з кривошипом за допомогою шатуна. Напуск і відкачування атмосфери здійснюється через канали, виконані в закритому торці циліндра. Недоліком цього пристрою є те, що, як показали стендові випробування аналогічного пристрою, що проводяться авторами заявленого технічного рішення, при підвищенні частоти зворотнопоступального руху поршня вище 3 герц (180 обертів у хвилину) в області відкритої частини циліндра, де поршень контактує з повітряним середовищем, тиск атмосфери на зовнішню сторону торцевої поверхні поршня починає падати, що призводить до різкого зменшення ККД пристрою. Це пов'язано з турбулентними процесами, що відбуваються з повітряним середовищем в колодязі відкритої частини циліндра. Тобто, цей пристрій не може бути використаний для отримання електричної енергії генераторами на стандартній частоті з ККД, прийнятним для практичного застосування. Найбільш близьким до запропонованого, є пристрій, в якому, для отримання механічної роботи (зокрема, переміщення вантажу, відносно опорної і підстиляючої поверхонь), як зовнішнє джерело енергії використовується атмосферний тиск (патент UA № 89112, B65G7/00, 2009 p., а також патент ЕАПО №013312, 2010 p.). Такий пристрій складається з опори, встановленої на підстиляючій поверхні, платформи з опорною поверхнею, вантажної платформи, жорстко пов'язаної з переміщуваним вантажем, робочої камери з робочим середовищем, виконаною у вигляді сильфона з еластичною бічною поверхнею, яка жорстко сполучена своєю верхньою основою з опорною поверхнею, а нижньою основою - з вантажною платформою. Робоча камера сполучена із засобами відкачування через випускний клапан, а з системою напуску робочого середовища - через впускний клапан. У пристрої також забезпечений замкнутий цикл руху робочого середовища. При цьому, до нижньої основи робочої камери може бути жорстко приєднаний або переміщуваний вантаж або кривошипно-шатуновий механізм з валом, що обертається. Цей пристрій, хоча і споживає додаткову зовнішню енергію для систем відкачування і напуску, проте має значні переваги в порівнянні з аналогами, оскільки воно технологічно і конструктивно простіше за аналогічні пристрої, що вигідно відрізняє його за можливостями практичного застосування. Проте недоліком його є те, що цей пристрій не може ефективно працювати в умовах високогір'я і у відкритому космосі, з причини зниженого тиску або повної відсутності атмосфери, а так само на великих висотах, з причини малого атмосферного тиску, при якому значно зменшується ККД пристрою. Задачею заявленої корисної моделі є удосконалення відомого пристрою для отримання механічної роботи, в якому, шляхом модифікації його конструкції, забезпечується можливість його функціонування в умовах підвищеної складності довкілля, при одночасному зниженні витрат енергії на підтримку роботи пристрою з максимальним ККД. За рахунок чого, збільшується продуктивність 5 пристрою в цілому і розширюється сфера його застосування. Поставлена задача вирішується тим, що пристрій для отримання механічної роботи від джерела нетеплової енергії, що містить корпус; робочий механізм, що включає робочу камеру зі змінним об'ємом і кінематичну пару з можливістю зворотно-поступального руху відносно корпусу; системи напуску і вакуумного відкачування робочого середовища з робочої камери; виконавчий механізм, додатково містить вакуумну камеру декомпенсації (далі - ВКД) з вакуумним насосом, в яку поміщений робочий механізм. При цьому, робочий механізм виконаний у вигляді двох опозитних сильфонів, рухливі торцеві поверхні яких розташовані усередині ВКД і жорстко прикріплені до штоків, які сполучені в кінематичну пару ексцентричною віссю кривошипа кривошипно-шатунового механізму (або обидва сильфони сполучені жорстко між собою єдиним штоком), так, що обидва сильфони утворюють єдину силову пару з можливістю їх одночасного синхронного руху в одну і іншу сторони, з постійним, під час робочого ходу, зусиллям на колінвал кривошипно-шатунового механізму (чи, відповідно, на єдиний шток). У першому випадку кривошипношатуновий механізм розміщений усередині вакуумної камери декомпенсації, а робочий торець його колінвала герметично виведений за межі корпусу ВКД і приєднаний до виконавчого механізму. У другому випадку, робочий торець єдиного штока також герметично виведений за межі корпусу ВКД і приєднаний до виконавчого механізму. Робочий механізм заявленого пристрою може бути виконаний також у вигляді циліндропоршневої групи з 2-х опозитних циліндрів, зовнішні торцеві поверхні яких розташовані усередині ВКД і жорстко прикріплені до штоків, які сполучені в кінематичну пару ексцентричною віссю кривошипа кривошипно-шатунового механізму (або обидва циліндри жорстко поєднані між собою єдиним штоком), так, що обидва циліндри, аналогічно двом сильфонам, утворюють єдину силову пару з можливістю їх одночасного синхронного руху в одну і іншу сторони, з постійним, під час робочого ходу, зусиллям на колінвал кривошипно-шатунового механізму (чи, відповідно, на єдиний шток). У першому випадку, кривошипно-шатуновий механізм також розміщений усередині ВКД, а робочий торець його колінвала герметично виведений за межі корпусу ВКД і приєднаний до виконавчого механізму. У другому випадку - робочий торець єдиного штока також герметично виведений за межі корпусу ВКД і приєднаний до виконавчого механізму. При цьому опозитні циліндри прикріплені з можливістю ковзного руху уздовж відповідних поршнів, а поршні прикріплені до корпусу пристрою на осях, з можливістю коливань (у першому випадку) або жорстко, у разі конструкції з єдиним штоком. У разі конструкції робочого механізму з наявністю усередині ВКД кривошипно-шатунового механізму, що утворює кінематичну пару зі штоками опозитних сильфонів (чи циліндрів), робочий механізм може містити декілька силових пар, закріплених послідовно уздовж колінвала кривошипно 60364 6 шатунового механізму, так, що їх осі симетрії розташовані одна відносно одної під кутом, рівним /n, де n - число силових пар у пристрої. Робочий механізм заявленого пристрою може бути виконаний також у вигляді двох мембран, що розділяють порожнину ВКД, так, що її вакуумна порожнина розташована між мембранами, при цьому, мембрани сполучені жорстко між собою єдиним штоком так, що вони, аналогічно двом сильфонам (чи циліндрам), утворюють єдину силову пару, з можливістю одночасного синхронного руху, відносно корпусу ВКД, і вигину в одну і іншу сторони, з постійним, під час робочого ходу, зусиллям на шток, робочий торець якого герметично виведений за межі корпусу ВКД і приєднаний до виконавчого механізму. Робочий механізм може бути виконаний у вигляді послідовно розташованих на штоку додаткових мембран, опозитно попарно вакуумнощільно закріплених по обидві сторони вакуумної камери декомпенсації. Як виконавчий механізм в заявленому пристрої можуть бути використані кривошипношатуновий механізм або генератор електричного струму, або рухлива частина лінійного генератора електричного струму, або редуктор для передачі обертання на вал силової установки. Таким чином, основним принципом, закладеним в основу функціонування заявленого пристрою, є створення градієнта сил за рахунок різниці тисків в робочому механізмі пристрою, в даному випадку - штучно створеного вакуумного середовища, що дає можливість використовувати атмосферний тиск для генерації механічної роботи з подальшим перетворенням в електричну енергію. Опозитні робочі камери зі змінним об'ємом різних форм, описаних вище, працюють у заявленому пристрої на одному фізичному принципі, а саме: - рухливі торці камер завжди знаходяться у вакуумі, який у ВКД постійно підтримується : а) у разі роботи в атмосфері, або іншому середовищі - вакуумним насосом; б) у разі роботи у відкритому космосі - природним постійним відкачуванням через відкриті отвори ВКД; - рухливі торці камер здійснюють зворотнопоступальний рух під дією атмосферного тиску за рахунок різниці тисків у ВКД і в робочій камері. У заявленому пристрої закладена принципово інша, відносно, приміром, двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ), схема функціонування робочого механізму, який може виконувати роботу тільки за наявності двох опозитних робочих камер, що складають силову пару, сполучену штоком або шатунами кривошипно-шатунового механізму. Силова пара з двох камер складає єдине ціле, в якій рухливі торцеві поверхні камер знаходяться у ВКД у вакуумі, мають можливість вільно рухатися під дією тиску зовнішнього середовища, в даному випадку - атмосфери, яка циклічно напускається в робочу камеру, а тиск на зовнішню поверхню рухливого її торця компенсується за рахунок постійного відкачування ВКД. 7 Рухлива торцева поверхня робочої камери не зазнає із зовнішнього боку компенсуючого тиску зовнішнього середовища - атмосфери і, у такті напуску атмосфери (який відбувається природним чином при відкритті впускного клапана), робоча камера робить робочий хід, збільшуючись до максимального розміру. При цьому, опозитна робоча камера в цей час знаходиться у стадії відкачування і не чинить опору руху рухливої торцевої поверхні першої робочої камери, зменшуючись до мінімального розміру під дією штока/шатуна, тобто для неї проходить такт холостого ходу. Таким чином, енергетичні витрати на виробництво робочого ходу пристроєм будуть потрібні тільки на роботу вакуумних насосів для відкачування робочих камер, під час їх холостого ходу, і підтримки необхідного вакууму у ВКД при роботі в атмосфері або інших середовищах. Енергетичні витрати на вакуумне відкачування робочих камер можна значно скоротити за рахунок використання ресивера необхідного об'єму, який розраховується на задану корисну потужність пристрою, що віддається. Відповідно до закону Бойля-Маріотта, співвідношення добутку тиску P1 на об'єм V1 робочої камери до добутку тиску Р2 на об'єм V2 ресивера, при постійній температурі, буде: P1V1=P2V2 [1], відповідно: P2=P1V1/V2 [2]. Звідки випливає, щоб підтримувати в ресивері тиск приблизно у 100 разів менше, ніж в робочій камері при відкритому випускному клапані з мінімальними витратами енергії на відкачування, необхідно мати об'єм V2 в 100 разів більше об'єму V1. При цьому, швидкість відкачування вакуумного насоса має бути більше швидкості напуску робочого середовища - атмосфери або газоподібного середовища з робочої камери в ресивер. Таким чином, підвищене споживання енергії пристрою потрібне тільки в пусковий період для попереднього відкачування вакуумною системою робочого механізму, ресивера і ВКД. При виході пристрою на робочий режим, споживання енергії системою відкачування значно скорочується, оскільки система відкачування, в цьому випадку, працює тільки на підтримку заданої різниці тисків в робочій камері і ресивері. Заявлений пристрій може працювати по замкнутому циклу, тобто без напуску і відкачування атмосфери, при цьому робоче середовище, що напускається в робочі камери опозитної пари, наприклад інертний газ, відкачується і нагнітається відкачуваною системою по замкнутому контуру з використанням ресивера попереднього розрідження, як було показано вище. В даному випадку загальне споживання енергії системою відкачування може зрости, проте в цьому випадку ККД заявленого пристрою не залежатиме від висоти над рівнем моря, що є істотною перевагою. При цьому, робочий механізм пристрою не випускає в довкілля відпрацьоване робоче середовище, тобто пристрій є екологічно чистим. 60364 8 Наявність вакууму у ВКД виключає опір зовнішнього середовища частинам робочого механізму, що рухаються, що дозволяє застосовувати робочі камери з торцевими поверхнями великого діаметру і будь-якої форми - пласкі, увігнуті або округло вигнуті назовні, і вибирати оптимальні форми для отримання максимальної корисної потужності, що віддається. Для забезпечення тривалої роботи заявленого пристрою у відкритому космосі дуже суттєво мінімізувати наявність у ньому пар, що труться. З цією метою, в заявленій конструкції пристрою запропонована форма виконання рухливих торцевих поверхонь робочих камер у вигляді, як мінімум, двох мембран з еластичного матеріалу, наприклад, з гуми, зробленої на основі нанотехнологій. Застосування мембран дозволяє виключити циліндропоршневу групу, що істотно спрощує конструкцію і зменшує вагу пристрою. Наявність декількох послідовно закріплених на штоку додаткових мембран з одного і з іншого боку від ВКД, дозволить значно збільшити потужність силової пари без зміни радіальних розмірів пристрою. У відкритому космосі витрати енергії на підтримку роботи пристрою з максимальним ККД будуть мінімальні, відносно корисної потужності, що віддається, оскільки відкачування ВКД, в даному випадку, не потребує енергетичних витрат. Заявлений пристрій може працювати і у водному середовищі, при цьому, для відкачування зовнішнього середовища - рідини, мають бути використані вакуумні водокільцеві насоси або інші засоби відкачування рідин, залежно від призначення використання пристрою. Як випливає з вищевказаного, заявлені різні форми виконання камер зі змінним об'ємом робочого механізму не порушують принципу єдності корисної моделі. Так як, у будь-якому із заявлених виконань, робочі камери виконують одну і ту ж функцію, працюють в заявленому пристрої на одному фізичному принципі, коли рухливі торці камер здійснюють зворотно-поступальні рухи під дією атмосферного тиску за рахунок різниці тисків у ВКД і в робочій камері. І, у поєднанні з іншими конструктивними елементами пристрою, однаковою мірою сприяють досягненню одного і того ж технічного результату при використанні пристрою отримання механічної роботи від зовнішнього джерела нетеплової енергії. Різні форми виконання робочих камер спричинені спеціальними умовами, в яких може бути використаний заявлений пристрій, а так само технологією виготовлення і необхідного ресурсу роботи пристрою як енергетичної установки. В цілому, в заявленому пристрої принциповим є те, що, як вказувалося вище, саме штучно створене вакуумне середовище у ВКД створює зміну рівноваги діючих на рухливі торцеві поверхні робочих камер сил двох середовищ - атмосфери і вакууму. Тобто, зовнішнє середовище, в даному випадку атмосферний тиск, при напуску атмосфери в робочу камеру є джерелом сили, що приводить пристрій в дію. Таким чином, в даному випадку, використаний діаметрально протилежний 9 фізичний принцип, на відміну від принципу дії ДВЗ, замкнутих пневматичних і гідравлічних систем, в яких робоче середовище з підвищеним тиском, що досягає 107 Па, є джерелом сили, що управляє робочими і виконавчими механізмами. Заявлений пристрій працює в режимі однотактного циклу, при якому кожен хід силової пари є робочим з постійним рівномірним зусиллям на колінвал. Тобто, будь-який рух силової пари вперед - назад є робочим ходом, на відміну від класичних двох і чотиритактних циклів двигунів внутрішнього згорання, в яких поршні рухаються в опозитній парі назустріч один одному. Це дозволяє ефективно застосовувати в заявленому пристрої лінійні генератори як перетворювачі механічної енергії в електричну, що дозволяє виключити кривошипно-шатуновий механізм, спростити кінематику пристрою і підвищити потужність, що віддається, при тих же заданих параметрах. Кінематична схема заявленого пристрою допускає наявність жорсткого зв'язку штока/шатуна з рухливими торцями робочих камер, які мають можливість здійснювати одночасно зворотнопоступальні і коливальні рухи відносно колінвала, що значно підвищує ККД пристрою. Наявність в пристрої декількох силових пар опозитних сильфонів (чи циліндрів) дає можливість варіювати потужністю, що віддається пристроєм. При цьому, заявлене розташування силових пар, закріплених послідовно уздовж колінвала кривошипно-шатунового механізму, так, що їх осі симетрії розташовані одна відносно одної під рівномірними кутами, забезпечує, при проходженні мертвої точки однією силовою парою, максимальний обертовий момент у іншої. Оптимальним для цієї мети, є кут, рівний /n, де n - число силових пар в пристрої. Тобто, заявлене розташування силових пар при будь-якій їх кількості, забезпечує рівномірне радіальне силове навантаження на колінвал пристрою, що сприяє практично повному усуненню вібрацій, підвищенню надійності і збільшенню ресурсу роботи пристрою, на відміну від класичного рядного або V-подібного розташування циліндрів. Таким чином, сукупність заявлених ознак корисної моделі є необхідною і достатньою для розв’язання поставленої задачі. Схема заявленого пристрою представлена на кресленнях: Фіг. 1 - схема пристрою, в якому робочий механізм виконаний у вигляді двох опозитних сильфонів; Фіг. 2 - схема пристрою у якому робочий механізм виконаний у вигляді циліндропоршневої групи з двох опозитних циліндрів; Фіг. 3 - схема пристрою, в якому робочий механізм виконаний у вигляді двох мембран, що розділяють порожнину вакуумної камери декомпенсації. На Фіг. 1 представлена схема заявленого пристрою для випадку, коли: - робочий механізм виконаний у вигляді двох опозитних сильфонів, рухливі торцеві поверхні 60364 10 яких розташовані усередині ВКД і жорстко прикріплені до штоків, які сполучені ексцентричною віссю кривошипа кривошипно-шатунового механізму; - робочі камери сильфонів приєднані до однієї системи відкачування і різних систем напуску атмосфери - робочого середовища; - силова пара сильфонів знаходиться в середині такту робочого ходу лівого сильфону, тобто, коли: - права і ліва робочі камери в цій точці мають однаковий об'єм; - схема циркуляції робочого середовища для кожної вакуумної робочої камери розімкнена, тобто виконана для роботи силової пари сильфонів пристрою по розімкненому контуру з безпосереднім впусканням атмосфери - робочого середовища в робочу камеру і відкачуванням робочого середовища в довкілля. Пристрій містить лівий 1 і правий 1а сильфони з рухливими лівим 2 і правим 2а торцями, до яких жорстко прикріплені шатуни 3 і 3а; шатун 3 лівого сильфона і шатун 3а правого сильфона прикріплено до ексцентричної осі 4 з можливістю незалежного ковзного руху один відносно одного; колінвал кривошипно-шатунового механізму, ексцентрична вісь 4 якого знаходиться у верхньому середньому положенні (стрілкою показаний напрям обертання колінвала); вакуумна камера декомпенсації 5, в якій знаходяться сильфони; вакуумний насос 6 системи відкачування вакуумної камери декомпенсації; впускний 7 і випускний 8 клапани лівого і відповідні клапани 7а і 8а правого сильфонів; ресивер 9 і вакуумний насос 10 систем відкачування сильфонів. Пристрій працює наступним чином. У початковому положенні ресивер 9 і вакуумна 2 камера декомпенсації 5 відкачані до тиску Р0=10 Па і постійно відкачуються вакуумними насосами 10 і 6. На початку циклу, коли шатун лівого сильфона проходить нижню (праву) мертву точку, відкриваються клапан відкачування 8 і клапан напуску 7а, а клапани напуску 7 і відкачування 8а закриваються. При цьому, рухливі торці сильфонів синхронно рухаються у бік стискування лівого сильфона 1 під дією сили атмосферного тиску на внутрішню торцеву поверхню правого сильфону 1а, робоча камера якого наповнюється атмосферою через фільтр відкритого клапана 7а, здійснюючи робочий хід. Робоча камера лівого сильфона знаходиться у відкачаному стані через відкритий клапан 8. При проходженні верхньої (лівою) мертвої точки шатуном лівого сильфона, клапан відкачування 8 і клапан напуску 7а закриваються, а клапани відкачування 8а і напуску 7 відкриваються. При цьому, рухливі торці сильфонів синхронно рухаються у бік стискування правого сильфона 1а під дією сили атмосферного тиску на торцеву поверхню лівого сильфона 1, робоча камера якого наповнюється атмосферою через фільтр клапана 7. Тобто, лівий сильфон здійснює робочий хід, а робоча камера правого сильфона стискується, не чинячи опору, оскільки вона відкачана до тиску, рівного тиску у вакуумній камері декомпенсації. 11 При цьому, через шатун - шток 3, зусилля лівого сильфона передається на вісь 4 кривошипа. У нижній (правій) мертвій точці лівого сильфона клапани відкачування 8 і напуску 7а відкриваються, а клапани відкачування 8а і напуску 7 закриваються, і цикл повторюється. Тобто, тепер правий сильфон здійснює робочий хід при русі рухливих торців сильфонів у протилежну сторону стискування лівого сильфона, передаючи через шатун - шток 3а зусилля правого сильфона на вісь 4 кривошипа. Таким чином здійснюється однотактний цикл, у якому кожен хід силової пари сильфонів є робочим. Для забезпечення можливості циклічного, що періодично повертається в початкове положення, руху рухливих торців сильфонів під дією атмосферного тиску Рат, або тиском іншого зовнішнього середовища, в якому знаходиться силова пара, необхідно забезпечити послідовне швидке відкачування до тиску: -1 -2 Р0