CN107923372A - 用于存储和释放能量以对电气设备供电的自主装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于存储和释放能量以对电气设备(12)尤其是飞机的电气设备(12)供电的自主装置(10)，其特征在于，所述装置包括：‑第一构件(16)，该第一构件被构造成将装置(10)所受的环境压力(P)的变化转换成机械能，‑至少一个第二构件(20，22)，该第二构件被构造成通过将所述机械能转换成机械势能的形式来机械地存储所述机械能，‑第三构件(24)，该第三构件被构造成控制包含在所述第二构件(20，22)中的机械势能的释放并将该机械势能转换成恢复的机械能，‑第四构件(28)，该第四构件被设计成将恢复的机械能转换成电能，所述电能适于对所述电气设备(12)供电。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于存储和释放能量以对电气设备供电的自主装置。
本发明更具体地涉及一种用于存储和释放能量以对电气设备(尤其是飞机的电气设备，例如机载传感器)供电的自主装置。
为飞机的机载传感器供电是一个切实存在的问题。由于对飞机的监控越来越多，故而要求所述飞机的机身的各个点处或所述飞机的发动机上具有传感器，例如压力传感器、温度传感器、振动传感器或应变仪。所述传感器通常被连接到一个或多个控制单元，该一个或多个控制单元通常被布置在距所述传感器一距离处，这涉及到电缆的布线，该电缆可以专用于传输信息或者至少专用于跨越机身区域或跨越所述飞机的发动机区域(其并一定意在使该电缆穿过)向所述传感器提供电力。使电缆穿过所述区域或者将所述区域设计成利于所述电缆的穿过可能是复杂的。根据所跨越的区域，由于穿过隔板时的密封限制以及由于在保持所述电缆的完整性方面的限制，使电缆穿过隔板也会损坏飞机的整体性能。
此外，将这种电缆安装在飞机中增加了所述飞机的整体重量，这在燃料消耗方面尤其是不利的。
背景技术
为了克服这些缺点，一个解决方案在于使用通过传感器自身回收能量的技术，该技术也被称为能量收集。该技术允许一些传感器根据飞机的不同飞行阶段收集能量，并且立即将所述能量转换成电能，以确保所述传感器的电力供应，并且因此允许所述传感器在能量方面能是自主的。
因此，从振动能或热能收集电能在目前是已知的。文献US-3.352.108-A、US-1.939.776-A以及US-795.761-A1描述了允许从温度差收集机械能的装置。类似地，US-2012/313575-A1教导了从机动车辆悬挂部的振荡收集能量。
这种收集尤其可以应用于布置在飞机的发动机上或发动机中的传感器。然而，所述能量是限制性的。因此，例如通常通过压电装置收集的振动能允许收集特定频率附近的能量，但是一旦振动偏离所述频率，利用该技术实际上不可能收集到能量。以同样的方式，收集热能需要存在恒定的温度差，该恒定的温度差不一定出现于飞机的所有飞行阶段过程中。
如WO-2011/158.127-A1教导的，收集到的能量通常例如通过转换成电能而被立即使用。
但是，以这种方式存储电能也是一个难题。电池不能很好地承受高温度和极端的温度变化。因此，电池不能机载地安装在飞机的所有区域，例如靠近发动机的区域，因为它们只能在低温度下使用。此外，所述电池的重量在飞机的燃料消耗方面也是不利的。
因此，真正需要一种能够从自主且可靠的能量源中受益并且还能够以可靠的方式并以具有降低的机载重量的方式存储所述能量的方案。
发明内容
本发明通过提出一种用于存储和释放能量以对上述类型的电气设备供电的自主装置来克服上述的缺点，该自主装置包括用于收集由飞机所受的压力变化产生的能量并且用于机械地存储所述能量的构件。
为此，本发明提出了一种用于存储和释放能量以对电气设备、尤其是用于飞机的上述类型的电气设备供电的自主装置，其特征在于，所述装置包括：
-第一构件，该第一构件被设计成将施加到该装置的环境压力的变化转换成机械能，
-至少一个第二构件，该至少一个第二构件被设计成通过将所述机械能转换成机械势能的形式来机械地存储所述机械能，
-第三构件，该第三构件被设计成通过将包含在所述至少一个第二构件中的机械势能转换回到机械能的形式来触发该机械势能的释放，
-第四构件，该第四构件被设计成将恢复的机械能转换成电能，该电能适于对电气设备供电。
根据本发明的其他特征：
-第一构件包括至少一个能弹性返回的可动膜片，该能弹性返回的可动膜片具有被施加有规定的压力的至少一个表面和被施加有所述环境压力的相对的表面，所述膜片能够响应于所述环境压力的变化而移动，以便通过所述膜片的移动产生所述机械能，所述第一构件例如是膜盒控制器，
-至少一个第二构件包括至少一个弹性元件和固定元件，该至少一个弹性元件能够将机械能转换成存储在所述弹性元件中的势能并且能够将存储的势能转换成恢复的机械能，该固定元件被设计成以使得弹性元件保存所述势能的构造固定所述弹性元件，
-第三构件被设计成响应于装置的周围环境的压力超过规定的压力阈值而释放所述固定元件，以释放所述弹性元件，
-第四构件包括发电机，
-固定元件包括棘爪装置，该棘爪装置具有至少一个尤其是齿条或棘轮的带齿扇形部并具有棘爪，该带齿扇形部被固定到弹性元件以便该带齿扇形部与弹性元件一起移动，该棘爪被设计成接合在所述带齿扇形部中，以阻止所述带齿扇形部和弹性元件的、对应于存储在所述弹性元件中的势能的释放的任何移动，
-第三构件被设计成响应于装置的周围环境的压力超过规定的压力阈值而将棘爪基座从带齿扇形部提起，
-第三构件包括至少一个可动元件和能弹性返回的可动膜片，该至少一个可动元件被设计成将棘爪提升到带齿扇形部之外，该能弹性返回的可动膜片刚性地连接到所述提升元件，该能弹性返回的可动膜片具有被施加有规定的压力的一个表面和被施加有环境压力的相对的表面，并且该装置的周围环境的压力一超过规定的压力阈值，该相对的表面就能够移动，以致动所述提升元件。
本发明还涉及一种根据施加到电气设备的环境压力对所述电气设备供电的方法，所述设备包括上文所述类型的用于存储和释放能量的自主装置，其特征在于，所述方法包括：
-第一步骤，在第一步骤期间，施加到装置的环境压力的变化被转换成机械能，该机械能同时以势能的形式存储在第二构件的至少一个弹性元件中，
-第一步骤之后的第二步骤，在第二步骤期间，只要环境压力不超过规定的压力阈值，势能就被保存在第二构件的至少一个弹性元件中，
-第三步骤，在第三步骤期间，环境压力一超过所述规定的压力阈值，第三构件就释放第二构件，使得所述第二构件释放势能，该势能同时被转换成恢复的机械能，然后通过第四构件转换成电能，并且在该步骤期间，电气设备利用该电能供电。
本发明最后涉及一种自主电气设备，该自主电气设备被设计成根据所述飞机的高度被供电，该设备的特征在于，它包括至少一个上述类型的装置，飞机的环境压力被施加到所述装置。
附图说明
通过阅读下文中以非限制性示例的方式参照附图给出的描述，本发明将被更好的理解，并且本发明的其他细节、特征和优点将变得更加清楚，在附图中：
-图1为示出了根据本发明的装置的各种元件之间的相互作用的示意图；
-图2为根据本发明的装置的示意图；
-图3A和图3B为根据本发明的装置的第二构件处于两个工作位置的详细视图；
-图4A和图4B为根据本发明的装置的第二构件和第三构件处于两个工作位置的详细视图；
-图5为根据本发明的装置的第四构件的详细示意图；
-图6为示出了在一次完整的飞行期间使用的、用于利用根据本发明的装置对电气设备供电的方法的步骤的第一顺序的图示；
-图7是示出在两次接连飞行期间使用的、用于利用根据本发明的装置对电气设备供电的方法的步骤的第二替代顺序的图示；
在以下描述中，相同的附图标记表示相同的部分或具有相似功能的部分。
具体实施方式
图1示出了根据本发明制造的用于存储和释放能量以便对电气设备尤其是飞机的电气设备12供电的装置10的元件以及所述元件之间的功能性相互作用。
电气设备12尤其可以包括例如为压力传感器、温度传感器、应变仪的机载传感器或者需要供应电力以工作的任何其他传感器。在不限制本发明的情况下，电气设备可以是不同类型的并且可以包括信号装置或任何其他电器。
根据本发明，装置10是自主的并且允许借助于本身已知的并且优选地还尽可能短的电连接14对设备12供应电力，此外，装置10被定位在能够使用大到足以致动装置10的压力梯度的位置处。
为此，装置10包括第一构件16，该第一构件被设计成将施加到装置10的环境压力的变化转换成机械能E1。所述第一构件16通过机械连接18连接到至少一个第二构件20、22，该第二构件20、22被设计成通过将机械能E1转换成机械势能EP的形式来机械地存储所述机械能。更具体地，该装置包括第二构件20，该第二构件20被设计成通过将机械能E1转换成机械势能EP的形式来机械地存储所述机械能。该装置进一步包括第二构件22，该第二构件22被设计成保持所述被存储的机械势能EP。
装置10还包括第三构件24，该第三构件被设计成控制上述机械势能EP的释放，以便所述机械势能以机械能E2的形式被恢复。第三构件被设计成例如通过机械连接26机械地作用于第二构件20、22。
装置10进一步包括第四构件28，该第四构件被设计成将恢复的机械能E2转换成适于对所述电气设备12供电的电能EL。第四构件28通过机械连接30连接到第二构件20、22并通过电连接14连接到电气设备12。
装置10的各种构件旨在在包括所述装置10的飞机的飞行顺序期间连续使用。所述顺序例如在图6和图7中示出，图6和图7各自示出了本发明的变型。不过，在这些变型中的每一个变型中，装置10的各种构件始终根据相同类型的方法工作。所述方法包括：
-第一步骤STEP1，在第一步骤期间，机械能E1被产生并且以势能EP的形式被存储；
-第二步骤STEP2，在第二步骤期间，势能EP被保存(conservée)，并且在第二步骤结束时，所述势能被释放；
-第三步骤STEP3，在第三步骤期间，所述势能EP被转换成机械能E2，并且在第三步骤期间，机械能E2同时转换成电能EL。
图1还示出了装置10的各种构件中的每个构件在这些步骤中的关联。
在步骤STEP1中同时使用第一构件16和第二构件20、22，以产生机械能E1并以势能EP的形式存储所述能。
第二构件20、22还被用在第二步骤STEP2中，在第二步骤期间势能EP被保存。第三构件24用于释放第二构件20、22。第三构件24也用于触发第三步骤STEP3，在第三步骤期间，还使用以下各项：
-将势能EP转换回到机械能E2的第二构件20、22；
-将机械能E2同时转换成电能EL的第四构件28；
-以及由第四构件28供电的电气设备12。
在本说明的其余部分中将更详细地描述各个步骤STEP1、STEP2、STEP3。
在此描述了装置10的各种构件16、20、22、24、28。
在本发明的优选实施例中，如图2中所示的，第一构件16包括至少一个可动膜片32，该可动膜片在弹性构件34的作用下弹性地返回，该可动膜片具有被施加有规定的压力P0的至少一个表面36并具有相对的表面38，该相对的表面被施加有施加到装置10的环境压力P。所述可动膜片32能够响应于所述环境压力P的变化而移动，以便通过可动膜片的移动来产生机械能E1。
以不限制本发明的方式，第一构件16是例如膜盒控制器16，其包括两个壁或膜片32，该两个壁或膜片面对彼此以包围弹簧34并且限定施加有压力P0的不渗透腔室。两个壁32可以在压力P的变化的影响下移动，并且能够致动刚性地连接到壁或膜片32中的一个壁或膜片的杆40，从而将压力P的变化转换为杆40的移动，这使得能够产生机械能E1。
所述机械能E1可以通过第二构件20、22转换成势能EP。为此，第二构件20、22包括至少一个弹性元件20，该弹性元件能够将机械能E1转换成存储在所述弹性元件20中的势能EP，并且以相反的方式转换所存储的势能EP，以便以恢复的机械能E2的形式恢复所述势能。图2以不限制本发明的方式示出了联接到杆40的端部的第一枢转杠杆42。
因此，应当理解的是，杆40和第一枢转杠杆42形成第一构件16和第二构件20、22之间的机械连接18。
在此所示的示例中，弹性元件20包括盘簧44，该盘簧被连接到杆40以及使得能够以势能EP的形式存储能量且以恢复的机械能E2的形式恢复所述势能。应当理解的是，该实施例不限制本发明，并且在不改变本发明的性质的情况下，弹性元件可以包括与盘簧44不同类型的弹簧(例如，螺旋弹簧)或者任何其他弹性构件(例如，气动元件或者由弹性体材料制成的元件)。
第二构件20、22进一步包括固定元件22，该固定元件被设计成以使得所述弹簧保存势能EP的构造来固定弹性元件20的所述弹簧44。
为此，如图2至图4B中所示的，固定元件22优选地包括棘爪装置46，该棘爪装置具有至少一个带齿扇形部48(具体为齿条或棘轮)和棘爪50，该带齿扇形部被固定到弹性元件20，以便带齿扇形部与弹性元件一起移动，该棘爪被设计成沿着所述扇形部48的移动方向从带齿扇形部48脱离，并且被设计成接合在所述带齿扇形部48中，以便阻止所述带齿扇形部48沿着相反方向的任何移动，并因此阻止弹性元件20的弹簧44的任何松弛移动。实际上，这样的移动将对应于存储在所述弹性元件20中的势能EP的释放，并且这样的移动必须被阻止以允许保存势能EP。图2示出了例如联接到第一杠杆42的端部并且能够通过棘爪50固定的可枢转的带齿扇形部48。在图3A和3B中示出了棘爪装置46。
在图3A中，沿第一方向R1旋转带齿扇形部48使得棘爪50的两个齿52能够离开带齿扇形部48的齿54，而沿着与第一方向R1相反的第二方向R2(如图3B中所示的)旋转带齿扇形部48使得棘爪50的齿52能够卡锁到带齿扇形部48的齿54中。因此，能够允许在上文参考图2所述的第一杠杆42沿着与利用棘爪装置46使弹簧44张紧相对应的方向旋转，并且禁止所述杠杆沿着与第一方向R1相反的方向旋转，以保持弹簧44张紧。
在本发明的优选实施例中，第三构件24被设计成响应于在装置10周围环境中盛行的压力P超过规定的压力阈值Ps而释放固定元件22以便释放弹性元件20，从而释放其弹簧44。
更具体地说，第三构件24被设计成装置10的环境压力P一超过规定的压力阈值Ps就使棘爪50从带齿扇形部48升起。为此，如图4A和图4B中所示的，第三构件24包括至少一个提升元件56和一可动膜片58，该提升元件被设计成将棘爪50提升到带齿扇形部48之外，该可动膜片被刚性地连接到所述提升元件56并且弹性地恢复到其起始位置。规定的压力P1被施加到膜片58的一个表面60上，并且一旦规定的压力阈值Ps被超过，膜片58的被施加有环境压力P的相对的表面62就能够移动，以致动所述提升元件56。提升元件56例如被成形为呈第二杠杆56的形式，该第二杠杆被刚性地连接至膜片58并且能够与固定至棘爪50以便随棘爪共同旋转的第三杠杆64配合，从而使得一旦环境压力P已超过压力阈值Ps，所述棘爪就摇摆，如图4B中所示的。
因此，应当理解的是，第二杠杆56和第三杠杆64形成第三构件24与第二构件20、22之间的机械连接26。
应当理解的是，第三构件24的任何其它实施例当然可以适于本发明的良好实施。
释放带齿扇形部48能够引起所述带齿扇形部48旋转，并将所述运动传递给杆42，从而再次将由弹簧44存储的势能EP转换成机械能E2。如果需要的话通过合适的运动传递装置，可以将带齿扇形部48或杆42与第四构件28联接，以便将以这种方式恢复的机械能E2转换成电能EL。在图2中示意性地示出了带齿扇形部48或杆42与呈带齿轮的形式的第四构件28的联接。
在图5中更详细地示出了呈发电机形式的第四构件28，该发电机包括刚性地连接到盘(bobine)68的轴66，该盘可旋转地安装在磁体72的间隙70中。应当理解的是，第四构件28可以以任何其他形式制造，例如制造为压电装置。
在该实施例中，根据施加到电气设备的环境压力P对所述电气设备供电的方法，所述设备包括与环境压力P的增加或减少相关的各个步骤。
因此，以通用的方式，该方法包括第一步骤STEP1，在该第一步骤期间，施加到装置10的环境压力P的变化(即，所述环境压力P的减小或增加)被转换成机械能E1，该机械能同时以势能EP的形式存储在第二构件20、22的弹性元件20的弹簧44中。在所述步骤STEP1期间，压力P的变化致动例如膜盒控制器16，该控制器致动杆40，该杆致动第一杠杆42，该第一杠杆进而驱动弹簧44。
然后第二步骤STEP2发生，在第二步骤期间，只要环境压力P不超过规定的压力阈值Ps，即，只要所述压力保持低于(或高于)所述规定的压力阈值Ps，势能EP就保存在第二构件20、22的弹簧44中。在所述步骤期间，弹性元件20并且尤其是弹性元件的弹簧44在通过棘爪装置46产生的应力作用下保持拉紧。
然后第三步骤STEP3发生，在第三步骤期间，一旦环境压力P超过规定的压力阈值Ps，第三构件24释放第二构件20、22，使得所述第二构件释放势能EP，该势能同时以机械能E2的形式恢复，然后通过第四构件24转换为电能EL。因此，在该阶段中，膜片58的移动导致第二杠杆56被致动并且使棘爪50摇摆，这允许释放棘爪装置46的带齿扇形部48，从而释放弹簧44。
在所述第三步骤STEP3期间，电气设备12因此利用电能EL供电。
图6和图7示出了根据本发明的供电方法的步骤的两种不同的顺序，所述顺序在一次完整的飞行VOL期间或者在两个连续的飞行(分别为VOL N、VOLN+1)期间发生。
在图6中，该方法首先包括步骤STEP1，在该步骤STEP1期间，压力P的变化允许产生机械能E1并同时将所述能转换成机械势能EP。该步骤在爬升阶段期间发生，压力P例如从大约1013毫巴(根据飞机起飞所在的机场的高度及其气候而稍有变化)变成在30000英尺巡航高度下大约300毫巴的压力。
步骤STEP2发生在飞机的所述巡航高度处，在该步骤期间势能EP被保存。当飞机下降时，环境压力P增加，直到环境压力超过阈值Ps，这在步骤STEP3期间触发释放势能EP，同时将所述势能转换成恢复的机械能E2，然后转换成电能EL。该实施例尤其可以应用于意图仅在下降期间被供电的传感器，例如在着陆时或者着陆之前需要被激活的传感器。
在图7中，步骤STEP1(在该步骤期间，压力P的变化允许产生机械能E1并且将所述机械能转换成机械势能EP)发生在第一飞行的下降阶段期间，环境压力例如从300毫巴增加到1013毫巴。
然后，在飞机处于地面上的阶段期间发生步骤STEP2，在该步骤期间，势能EP被保存。当飞机再次起飞时，环境压力P下降直到它超过阈值Ps，这在STEP3期间触发释放势能EP和恢复机械能E2，并且将所述机械能转换成电能EL。
该实施例尤其可以应用于仅在上升期间被供电的设备，例如用于对用于测量飞机发动机的推力的传感器供电。
因此，本发明当然可以应用于包括自主电气设备的飞机，该自主电气设备被设计成根据所述飞机的高度而被供电，并且因此能够利于和限制对这样的飞机进行布线。
Claims (10)
1.用于存储和释放能量以对电气设备(12)供电的自主装置(10)，其特征在于，所述自主装置包括：
-第一构件(16)，所述第一构件被设计成将施加到所述装置(10)的环境压力(P)的变化转换成机械能(E1)，
-至少一个第二构件(20，22)，所述至少一个第二构件被设计成通过将所述机械能转换成机械势能(EP)的形式来机械地存储所述机械能(E1)，
-第三构件(24)，所述第三构件被设计成通过将包含在所述至少一个第二构件(20，22)中的所述机械势能(EP)转换成恢复的机械能(E2)的形式来触发所述机械势能的释放，
-第四构件(28)，所述第四构件被设计成将所述恢复的机械能(E2)转换成电能(EL)，所述电能适于对所述电气设备(12)供电。
2.根据前一项权利要求所述的装置(10)，其特征在于，所述第一构件(16)包括至少一个能弹性返回的可动膜片(32)，所述能弹性返回的可动膜片具有被施加有规定的压力(P0)的至少一个表面(36)和被施加有所述环境压力(P)的相对的表面(38)，所述膜片(32)能够响应于所述环境压力(P)的变化而移动，以便通过所述膜片的所述移动产生所述机械能(E1)。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的装置(10)，其特征在于，所述至少一个第二构件(20，22)包括至少一个弹性元件(20)和固定元件(22)，所述至少一个弹性元件能够将所述机械能(E1)转换成存储在所述弹性元件(20)中的势能(EP)并且能够将存储的势能(EP)转换成恢复的机械能(E2)，所述固定元件被设计成以使得所述弹性元件保存所述势能(EP)的构造来固定所述弹性元件(20)。
4.根据权利要求3所述的装置(10)，其特征在于，所述第三构件(24)被设计成响应于所述装置(10)的周围环境的压力(P)超过规定的压力阈值(Ps)而释放所述固定元件(22)，以释放所述弹性元件(20)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置(10)，其特征在于，所述第四构件(28)包括发电机。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的装置(10)，其特征在于，所述固定元件(22)包括棘爪装置(46)，所述棘爪装置具有至少一个带齿扇形部(48)以及棘爪(50)，所述带齿扇形部尤其为被固定到所述弹性元件(20)的齿条，以便所述带齿扇形部与所述弹性元件一起移动，所述棘爪被设计成接合在所述带齿扇形部(48)中，以阻止所述带齿扇形部(48)和所述弹性元件(20)的、对应于存储在所述弹性元件(20)中的所述势能(EP)的释放的任何移动。
7.根据前一项权利要求与权利要求4的组合所述的装置(10)，其特征在于，所述第三构件(24)被设计成响应于所述装置(10)的周围环境的压力(P)超过规定的压力阈值(Ps)而将所述棘爪(50)从所述带齿扇形部提起。
8.根据前一项权利要求所述的装置(10)，其特征在于，所述第三构件包括至少一个可动元件(56)和能弹性返回的可动膜片(58)，所述至少一个可动元件被设计成将所述棘爪(50)提升到所述带齿扇形部(48)之外，所述能弹性返回的可动膜片刚性地连接到所述提升元件(56)，所述能弹性返回的可动膜片具有被施加有规定的压力(P1)的一个表面(60)和被施加有所述环境压力(P)的相对的表面(62)，并且所述装置(10)的周围环境的压力(P)一超过规定的压力阈值(Ps)，所述相对的表面就能够移动，以致动所述提升元件(56)。
9.根据施加到电气设备(12)的环境压力(P)对所述设备(12)供电的方法，所述设备(12)包括根据权利要求1至8中任一项所述的用于存储和释放能量的自主装置(10)，其特征在于，所述方法包括：
-第一步骤(STEP1)，在所述第一步骤期间，施加到所述装置(10)的环境压力(P)的变化被转换成机械能(E1)，所述机械能同时以势能(EP)的形式存储在所述第二构件(20，22)的至少一个弹性元件(20)中，
-所述第一步骤(STEP1)之后的第二步骤(STEP2)，在所述第二步骤期间，只要所述环境压力(P)不超过规定的压力阈值(Ps)，所述势能(EP)就被保存在所述第二构件(20，22)的所述至少一个弹性元件(20)中，
-第三步骤(STEP3)，在所述第三步骤期间，所述环境压力(P)一超过所述规定的压力阈值(Ps)，所述第三构件(24)就释放所述第二构件(20，22)，使得所述第二构件释放所述势能(EP)，所述势能同时转换成恢复的机械能(E2)，然后通过第四构件(28)转换成电能(EL)，并且在该步骤期间，所述电气设备(12)利用所述电能(EL)供电。
10.一种包括自主电气设备(12)的飞机，所述自主电气设备被设计成根据所述飞机的高度被供电，其特征在于，所述自主电气设备包括至少一个根据权利要求1至8中任一项所述的用于对电气设备供电的装置(10)，所述飞机的环境压力(P)被施加到所述装置(10)。
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