EA021678B1 - Устройство для получения механической работы от источника нетепловой энергии - Google Patents

Abstract

Объект изобретения - устройство для получения механической работы от источника нетепловой энергии. Изобретение относится к области машиностроения, в частности к разработке двигателей, в которых используется внешний подвод энергии для генерирования механической работы, и может быть использовано для создания автономных энергетических агрегатов для обеспечения электропитанием. Устройство содержит корпус, рабочий механизм, включающий рабочую камеру с переменным объемом и кинематическую пару с возможностью возвратно-поступательного движения относительно корпуса, системы напуска и вакуумной откачки рабочей среды из рабочей камеры, исполнительный механизм и вакуумную камеру декомпенсации с вакуумным насосом, в которую помещен рабочий механизм. Рабочий механизм может быть выполнен в виде двух оппозитных сильфонов или в виде цилиндропоршневой группы из 2 оппозитных цилиндров, подвижные торцевые поверхности которых жестко прикреплены к штокам и соединены в кинематическую пару так, что образуют единую силовую пару с возможностью их одновременного синхронного движения в одну и другую стороны. Рабочий механизм заявляемого устройства может быть выполнен также в виде двух мембран, соединенных жестко между собой единым штоком так, что они аналогично двум сильфонам (или цилиндрам) образуют единую силовую пару. Заявленная конструкция устройства обеспечивает возможность его функционирования в условиях повышенной сложности окружающей среды при одновременном снижении затрат энергии на поддержание работы устройства с максимальным КПД.

Description

Устройство относится к области машиностроения, в частности к разработке двигателей, в которых используется внешний подвод энергии для генерирования механической работы, и может быть использовано для создания двигателей, а также комбинированных автономных энергетических агрегатов для обеспечения электропитанием, в частности, в высокогорных условиях и для космических аппаратов, работающих в открытом космосе.

Известны атмосферные двигатели, принцип действия которых основан на использовании атмосферного давления в качестве внешнего источника нетепловой энергии, которая преобразуется в механическую работу.

Например, устройство, в котором атмосферное давление используется для получения механической работы, содержащее классическую цилиндропоршневую группу из двух поршней, связанных общим штоком, которые движутся возвратно-поступательно в неподвижных цилиндрах, при этом возвратнопоступательное движение штока передается на основной вал посредством храпового механизма (патент ОБ 2023746 А, Р01В 29/02, 1980 г.).

Недостатком такого устройства является сложность конструкции, в которой передача механической работы храповым механизмом на основной вал через закрытую вакуумную оболочку не дает возможность получить приемлемый коэффициент полезного действия (далее - КПД) для практического использования данного устройства.

Известно устройство, в котором для получения механической работы в качестве внешнего источника энергии, используется атмосферное давление (патент ИЕ 4131627 А1, Р01В 29/02, 25.03.93).

Такое устройство состоит из неподвижного цилиндра, в котором возвратно-поступательно движется поршень, связанный с кривошипом посредством шатуна. Напуск и откачка атмосферы производится через каналы в закрытом торце цилиндра.

Недостатком данного устройства является то, что, как показали стендовые испытания аналогичного устройства, проводимые авторами заявляемого технического решения, при повышении частоты возвратно-поступательного движения поршня выше 3 Гц (180 об/мин) в области открытой части цилиндра, где поршень соприкасается с воздушной средой, давление атмосферы на внешнюю сторону торцевой поверхности поршня начинает падать, что приводит к резкому уменьшению КПД устройства. Это связано с турбулентными процессами, происходящими с воздушной средой в колодце открытой части цилиндра. Т.е. данное устройство не может быть использовано для получения электрической энергии генераторами на стандартной частоте с КПД, приемлемым для практического применения.

Наиболее близким к предложенному является устройство, в котором для получения механической работы (в частности, перемещения груза, относительно опорной и подстилающей поверхностей) в качестве внешнего источника энергии используется атмосферное давление (патент ИА № 89112, В65О 7/00, 2009 г., а также патент ЕАПО № 013312, 2010 г.).

Такое устройство состоит из опоры, установленной на подстилающей поверхности, несущей платформы с опорной поверхностью, грузовой платформы, жестко связанной с перемещаемым грузом, рабочей камеры с рабочей средой, выполненной в виде сильфона с эластичной боковой поверхностью, которая жестко соединена своим верхним основанием с опорной поверхностью, а нижним основанием - с грузовой платформой. Рабочая камера соединена со средствами откачки через выпускной клапан, а с системой напуска рабочей среды - через впускной клапан. В устройстве также обеспечен замкнутый цикл движения рабочей среды. При этом к нижнему основанию рабочей камеры может быть жестко подсоединен либо перемещаемый груз, либо кривошипно-шатунный механизм с вращающимся валом.

Данное устройство хотя и потребляет дополнительную внешнюю энергию для систем откачки и напуска, однако имеет значительные преимущества по сравнению с аналогами, т.к. оно технологично и конструктивно проще аналогичных устройств, что выгодно отличает его по возможности практического применения.

Однако недостатком его является то, что данное устройство не может эффективно работать в условиях высокогорья и в открытом космосе ввиду пониженного давления или полного отсутствия атмосферы, а также на больших высотах ввиду малого атмосферного давления, при котором значительно уменьшается КПД устройства.

Целью заявляемого изобретения является усовершенствование известного устройства для получения механической работы, в котором путем модификации его конструкции обеспечивается возможность его функционирования в условиях повышенной сложности окружающей среды при одновременном снижении затрат энергии на поддержание работы устройства с максимальным КПД. За счет чего увеличивается продуктивность устройства в целом и расширяется область его применения.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для получения механической работы от источника нетепловой энергии содержит корпус с расположенным внутри него рабочим механизмом, системы напуска и вакуумной откачки рабочей среды и исполнительный механизм, содержащий подвижный рабочей элемент и превращающий нетепловую энергию рабочей среды в полезную работу.

Рабочий механизм устройства включает рабочую камеру с изменяемым объемом, соединенную через впускные и выпускные клапаны с системами напуска и вакуумной откачки рабочей среды, часть поверхности которой выполнена подвижной с возможностью ее возвратно-поступательного движения под

- 1 021678 действием давления рабочей среды и жестко связана со штоком, кинематически соединенным с подвижным рабочим элементом исполнительного механизма устройства.

Заявленное устройство отличается тем, что оно дополнительно содержит вакуумную камеру декомпенсации (далее - ВКД) с вакуумным насосом, а его рабочий механизм содержит дополнительную аналогичную рабочую камеру с изменяемым объемом, соосную первой рабочей камере.

При этом подвижные части поверхности обеих рабочих камер оппозитно расположены внутри ВКД, а их подвижные торцевые поверхности жестко соединены между собой единым штоком с возможностью одновременного синхронного возвратно-поступательного движения с постоянным усилием на шток.

Рабочий торец штока герметично выведен за пределы корпуса ВКД и присоединен к подвижному рабочему элементу исполнительного механизма устройства.

Подвижные части поверхности каждой рабочей камеры могут быть выполнены в виде сильфона с замкнутым рабочим торцом, который герметично прикреплен к неподвижной части поверхности рабочей камеры; или в виде полого цилиндра с замкнутым рабочим торцом, который герметично прикреплен к неподвижной части поверхности рабочей камеры с возможностью скользящего возвратно-поступательного движения относительно нее; или в виде гибкой мембраны, которая герметично прикреплена к неподвижной части рабочей камеры.

В качестве исполнительного механизма заявленного устройства могут быть использованы линейный генератор электрического тока или кривошипно-шатунный механизм, крутящий момент коленвала которого превращается в дальнейшем в электрическую энергию или в механическую работу.

Таким образом, основным принципом, заложенным в основу функционирования заявляемого устройства, является создание градиента сил за счет разности давлений в рабочем механизме устройства, в данном случае - искусственно созданной вакуумной среды внутри ВКД, что дает возможность использовать атмосферное давление для генерации механической работы с последующим преобразованием в электрическую энергию или полезную работу.

Оппозитные рабочие камеры с изменяемым объемом, выполненные в нескольких альтернативных технических решениях, описанных выше, работают в заявляемом устройстве на одном и том же физическом принципе, а именно подвижные части поверхности обеих рабочих камер всегда находятся в вакууме, который постоянно поддерживается внутри ВКД:

а) в случае работы в атмосфере или другой среде - вакуумным насосом;

б) в случае работы в открытом космосе - естественной постоянной откачкой через открытые отверстия ВКД;

подвижные торцы камер осуществляют возвратно-поступательные движения под действием атмосферного давления за счет разности давлений в ВКД и в рабочей камере.

В заявляемом устройстве заложена принципиально иная, относительно, например, двигателей внутреннего сгорания (ДВС), схема функционирования рабочего механизма, который может производить полезную работу только при наличии двух оппозитных рабочих камер, составляющих силовую пару, соединенную штоком.

Силовая пара из двух камер составляет единое целое, в которой подвижные части поверхности камер, находящиеся в ВКД в вакууме, имеют возможность свободно двигаться под действием давления внешней среды, в данном случае - атмосферы, которая циклично напускается в рабочую камеру, а давление на внешнюю поверхность подвижного ее торца компенсируется за счет постоянной откачки ВКД.

Подвижная торцевая поверхность рабочей камеры не испытывает с внешней стороны компенсирующего давления внешней среды - атмосферы, и при такте напуска атмосферы (который происходит естественным путем при открытии впускного клапана) рабочая камера производит рабочий ход, увеличиваясь до максимального размера. При этом оппозитная рабочая камера в это время находится в стадии откачки и не оказывает сопротивления движению подвижной торцевой поверхности первой рабочей камеры, уменьшаясь до минимального размера под действием штока, т.е. для нее проходит такт холостого хода.

Таким образом, энергетические затраты на производство рабочего хода устройством будут необходимы только на работу вакуумных насосов для откачки рабочих камер во время их холостого хода и поддержания необходимого вакуума в ВКД при работе в атмосфере или других средах.

Энергетические затраты на вакуумную откачку рабочих камер можно значительно сократить за счет использования ресивера необходимого объема, который рассчитывается на заданную отдаваемую полезную мощность устройства.

В соответствии с законом Бойля-Мариотта соотношение произведения давления Ρι на объем VI рабочей камеры к произведению давления Р₂ на объем ν₂ ресивера при постоянной температуре будет

Ρ,ν, = Ρ₂ν₂ [1], соответственно

- 2 021678

Откуда следует, чтобы поддерживать в ресивере давление примерно в 100 раз меньше, чем в рабочей камере при открытом выпускном клапане с минимальными затратами энергии на откачку, необходимо иметь объем У₂ в 100 раз больше объема У₁. При этом скорость откачки вакуумного насоса должна быть больше скорости напуска рабочей среды - атмосферы или газообразной среды из рабочей камеры в ресивер.

Таким образом, повышенное потребление энергии устройству необходимо только в пусковой период для предварительной откачки вакуумной системой рабочего механизма, ресивера и ВКД. При выходе устройства на рабочий режим потребление энергии системой откачки значительно сокращается, т.к. система откачки в этом случае работает только на поддержание заданной разности давлений в рабочей камере и ресивере.

Заявляемое устройство может работать по замкнутому циклу, т.е. без напуска и откачки атмосферы, при этом рабочая среда, напускаемая в рабочие камеры оппозитной пары, например инертный газ, откачивается и нагнетается откачной системой по замкнутому контуру с использованием ресивера предварительного разрежения, как было показано выше.

В данном случае общее потребление энергии системой откачки может возрасти, однако в этом случае КПД заявляемого устройства не будет зависеть от высоты над уровнем моря, что есть существенным преимуществом. При этом рабочий механизм устройства не выпускает в окружающую среду отработанную рабочую среду, т.е. устройство является экологически чистым.

Наличие вакуума в ВКД исключает сопротивление внешней среды движущимся частям рабочего механизма, что позволяет применять рабочие камеры с торцевыми поверхностями большого диаметра и любой формы - плоские, вогнутые или выпуклые и выбирать оптимальные формы для получения максимальной отдаваемой полезной мощности.

Для обеспечения длительной работы заявляемого устройства в открытом космосе очень существенно минимизировать наличие в нем трущихся пар. С этой целью в заявляемой конструкции устройства предложена форма выполнения подвижных торцевых поверхностей рабочих камер в виде как минимум двух мембран из эластичного материала, например из резины, сделанной на основе нанотехнологий. Именно в таких условиях использования заявленного устройства применение мембран как альтернативного выполнения подвижных частей поверхности рабочих камер, в отличие от их исполнения в виде полого цилиндра с замкнутым рабочим торцом, является предпочтительным потому, что существенно упрощает конструкцию и уменьшает вес устройства.

Кроме того, такое альтернативное решение имеет возможность расположения нескольких последовательно закрепленных на штоке дополнительных мембран оппозитно попарно с одной и с другой стороны от ВКД, что позволит значительно увеличить мощность силовой пары без изменения радиальных размеров устройства. Образующиеся таким образом рабочие камеры наполняются и откачиваются синхронно через единую систему клапанов откачки и напуска, поэтому усилия мембран, действующих синхронно на шток, соответственно суммируются.

В открытом космосе затраты энергии на поддержание работы устройства с максимальным КПД будут минимальны относительно отдаваемой полезной мощности, т.к. откачка ВКД в данном случае не требует энергетических затрат.

Заявляемое устройство может работать и в водной среде, при этом для откачки внешней среды жидкости должны быть использованы вакуумные водокольцевые насосы или другие средства откачки жидкостей, в зависимости от назначения использования устройства.

Как следует из вышесказанного, заявленные альтернативные конструктивные решения подвижных частей поверхности камер с изменяемым объемом рабочего механизма устройства не нарушают принципа единства изобретения. Т.к. в любом из заявленных альтернативных решений рабочие камеры выполняют одну и ту же функцию, работают в заявляемом устройстве на одном физическом принципе, при котором подвижные торцы камер независимо от формы их выполнения осуществляют возвратнопоступательные движения под действием атмосферного давления за счет разности давлений в ВКД и в рабочей камере.

И в сочетании с остальными конструктивными элементами устройства в одинаковой степени способствуют достижению одного и того же технического результата при использовании устройства - получение механической работы от внешнего источника нетепловой энергии.

Альтернативные выполнения подвижных частей поверхности рабочих камер вызваны исключительно специальными условиями, в которых может быть использовано заявленное устройство, а также технологией изготовления и необходимого ресурса работы устройства в качестве энергетической установки. Что позволит гибко использовать его в зависимости от назначения.

Так, конструкция заявленного устройства с выполнением подвижных частей поверхности его рабочих камер в виде сильфонов может экономично использоваться для генерации электрического тока малых и средних мощностей непромышленного назначения - для электропитания жилых домов, бытовых приборов и др.

- 3 021678

Конструкция заявленного устройства с выполнением подвижных частей поверхности его рабочих камер в виде полых цилиндров может использоваться для генераторов промышленного назначения с проектной генерируемой мощностью от 50 кВт до 2-10 МВт.

Конструкция заявленного устройства с выполнением подвижных частей поверхности его рабочих камер в виде гибких мембран может использоваться в мобильных малогабаритных генераторах различного назначения, в том числе в специальных условиях космического или водного пространства, как уже отмечалось выше.

В целом в заявляемом устройстве принципиальным является то, что, как указывалось выше, именно искусственно созданная вакуумная среда в ВКД создает изменение равновесия действующих на подвижные торцевые поверхности рабочих камер сил двух сред - атмосферы и вакуума. Т.е. внешняя среда, в данном случае атмосферное давление, при напуске атмосферы в рабочую камеру является источником силы, приводящим устройство в действие.

Таким образом, в данном случае использован диаметрально противоположный, в отличие от принципа действия ДВС, физический принцип замкнутых пневматических и гидравлических систем, в которых рабочая среда с повышенным давлением, достигающим до 10⁷ Па, есть источник силы, управляющей рабочими и исполнительными механизмами устройства.

Заявляемое устройству работает в режиме однотактного цикла, при котором каждый ход силовой пары есть рабочий с постоянным равномерным усилием на шток. Т.е. любое движение силовой пары вперед-назад является рабочим ходом в отличие от классических двух и четырехтактных циклов двигателей внутреннего сгорания, в которых поршни движутся в оппозитной паре навстречу друг к другу.

Это позволяет эффективно применять в заявляемом устройстве линейные генераторы в качестве преобразователей механической энергии в электрическую, что, в свою очередь, при необходимости эксплуатации устройства в нестандартных условиях позволяет исключить кривошипно-шатунный исполнительный механизм как звено кинематической цепи устройства, и, как следствие, упростить кинематику устройства и повысить отдаваемую мощность при тех же заданных параметрах.

Таким образом, совокупность заявляемых признаков изобретения является необходимой и достаточной для достижения поставленной цели.

Схема заявленного устройства представлена на чертежах, где подвижные части поверхности обеих рабочих камер выполнены:

фиг. 1 - в виде сильфона с замкнутым рабочим торцом, герметично соединенным с неподвижной частью поверхности рабочей камеры;

фиг. 2 - в виде полого цилиндра с замкнутым рабочим торцом, герметично соединенным с неподвижной частью поверхности рабочей камеры, с возможностью скользящего возвратно-постепенного движения относительно нее;

фиг. 3 - в виде гибкой мембраны, герметично соединенной с неподвижной частью поверхности рабочей камеры.

Заявленное устройство (см. фиг. 1, или 2, или 3) содержит левую 1 и правую 1а рабочие камеры с изменяемым объемом с подвижными рабочими торцами соответственно 2 и 2а, которые жестко соединены между собой единым штоком 3, рабочий торец 4 которого герметично выведен за пределы корпуса ВКД 5 и кинематически соединен с подвижным элементом исполнительного механизма (на схемах не показан), который превращает нетепловую энергию рабочей среды в полезную работу.

Подвижные части поверхности обеих рабочих камер оппозитно расположены внутри ВКД 5, в которой также находится вакуумный насос 6.

Система напуска и вакуумного откачки рабочей среды содержит впускной 7 и выпускной 8 клапаны левой рабочей камеры и соответствующие клапаны 7а и 8а правой рабочей камеры, ресивер 9 и вакуумный насос 10.

При этом впускные и выпускные клапаны выполнены в неподвижных частях рабочих камер, расположенных за пределами ВДК 5 (контур ВДК 5 на всех схемах условно выделен утолщенной линией).

Рабочие камеры 1 и 1а присоединены к различным системам напуска атмосферы через клапаны 7 и 7а и к одной системе откачки через клапаны 8 и 8а, ресивер 9 и вакуумный насос 10.

На всех чертежах представлена разомкнутая схема циркуляции рабочей среды для каждой вакуумной рабочей камеры, обеспечивающая работу силовой пары устройства по разомкнутому контуру - с непосредственным впуском рабочей среды (атмосферы) через клапаны 7 и 7а в рабочую камеру и откачкой рабочей среды в окружающую среду через клапаны 8 и 8а в ресивер 9 и вакуумный насос 10.

Устройство работает следующим образом.

В начальном положении ресивер 9 и вакуумная камера декомпенсации 5 откачаны до давления Р₀=10² Па и постоянно откачиваются вакуумными насосами 10 и 6.

В начале цикла открываются клапан откачки 8 и клапан напуска 7а, а клапаны напуска 7 и откачки 8а закрываются.

При этом подвижные торцы обеих рабочих камер синхронно движутся в сторону сжатия рабочего объема левой камеры 1 под действием силы атмосферного давления на внутреннюю подвижную торцевую поверхность правой рабочей камеры 1а, которая начинает наполняться атмосферой через фильтр

- 4 021678 открытого клапана 7а, осуществляя рабочий ход. Левая рабочая камера 1 находится в откачанном состоянии через открытый клапан 8.

После чего клапан откачки 8 и клапан напуска 7а закрываются, а клапаны откачки 8а и напуска 7 открываются. При этом подвижные торцы обеих рабочих камер синхронно движутся в сторону сжатия рабочего объема правой камеры 1а под действием силы атмосферного давления на торцевую поверхность левой рабочей камеры 1, которая наполняется атмосферой через фильтр клапана 7.

Т.е. подвижный торец левой камеры 1 осуществляет рабочий ход, а рабочая камера 1а сжимается, не оказывая сопротивления, т.к. она откачана до давления, равного давлению в вакуумной камере декомпенсации 5. При этом усилие подвижного торца левой камеры 1 через шток 3 передается на подвижный рабочий элемент исполнительного механизма устройства, который кинематически соединен с рабочим торцом 4 штока 3 и который превращает нетепловую энергию рабочей среды в полезную работу.

После чего клапаны откачки 8 и напуска 7а снова открываются, а клапаны откачки 8а и напуска 7 закрываются, и цикл повторяется. Т.е. теперь правая камера осуществляет рабочий ход при движении подвижных торцов обеих камер в противоположную сторону сжатия рабочего объема левой камеры.

Таким образом, осуществляется однотактный цикл, в котором каждый ход силовой пары из двух камер является рабочим.

На фиг. 1 и 2 представлен момент работы устройства, когда силовая пара из двух камер находится в середине такта рабочего хода, то есть когда правая и левая рабочие камеры имеют одинаковый объем.

На фиг. 3 представлен момент работы устройства, когда силовая пара находится в конце такта рабочего хода левой рабочей камеры, то есть когда левая 1 и правая 1а рабочие камеры в этой точке имеют максимальный и минимальный объемы соответственно.

Таким образом, оппозитные подвижные торцевые части поверхности обеих рабочих камер, образуя целостную конструкцию, синхронно движутся в одну сторону во время такта, обеспечивая непрерывный во времени рабочий ход с постоянным усилием на шток в одну сторону и продолжая рабочий ход с постоянным усилием в другую сторону, то есть по однотактному циклу.

Для обеспечения возможности цикличного, периодически возвращаемого в исходное положение движения подвижных торцов рабочих камер под действием атмосферного давления Р_ат, или давлением другой внешней среды, в которой находится силовая пара, необходимо обеспечить последовательную быструю откачку до давления Р₀<10^-1-10^-2 Р_ат и напуск рабочей среды до давления Р1=Р_ат в рабочие камеры силовой пары.

Это достигается благодаря тому, что рабочие камеры силовой пары соединены с системами напуска и откачки рабочей среды через впускные и выпускные клапаны, расположенные в их неподвижных торцах.

В свою очередь, обеспечение возможности быстрого изменения давления в рабочей камере позволяет получить непрерывный цикличный процесс движения подвижных торцов силовой пары, которая совершает работу по однотактному вакуумно-атмосферному циклу. При этом действующая на подвижные торцы сила постоянна по величине по всей длине рабочего хода и определяется только площадью подвижной торцевой поверхности камеры и разницей внешнего и внутреннего давления в камерах.

Для уменьшения энергетических потерь и потерь рабочей среды, а также, для обеспечения возможности работы устройства в открытом космосе система откачки может быть соединена с системой напуска, обеспечивая тем самым замкнутый цикл движения рабочей среды. При этом в качестве рабочей среды выбирается газ с оптимальными параметрами (например, водород, гелий, аргон и др.) для эффективной откачки рабочих камер выбранными типами насосов.

Наличие силовой пары из двух оппозитно расположенных рабочих камер, которые жестко скреплены единым штоком, позволяет обеспечить в процессе цикла постоянное во времени усилие, что обеспечивает плавную без рывков и вибраций работу узлов устройства.

При этом баланс потребляемой системами откачки и напуска и отдаваемой на шток силовой парой полезной мощности определяется скоростями откачивающих систем рабочей камеры и систем напуска рабочей среды в камеру, а также количеством циклов в единицу времени.

В случае альтернативного выполнения подвижных частей поверхности обеих рабочих камер в виде гибких мембран, крепления мембраны к неподвижной части поверхности рабочей камеры может быть вакуумно плотным жестко фиксированным или скользящим и определяется конструктивной целесообразностью применения заявляемого устройства.

Возможность вакуумно плотного скольжения вдоль стенок ВКД позволяет увеличивать полезный объем рабочей камеры до заданных расчетных размеров и соответственно отдаваемую мощность при других заданных параметрах устройства.

Как указывалось выше, заявляемое устройство может работать и по замкнутому циклу, т.е. без напуска и откачки атмосферы.

При работе по замкнутому контуру рабочей среды силовая пара может производить повышенную работу относительно базового цикла, например двойную на протяжении одного цикла.

Это может происходить при условии, если вакуумный насос при откачке первой рабочей камеры будет обеспечивать на выходе в промежуточном ресивере такое давление Р₁ рабочей среды, которое при

- 5 021678 напуске в оппозитную рабочую камеру будет, например, вдвое превышать атмосферное давление внешней среды Р_ат. При этом давление Ро в первой камере при холостом ходе должно обеспечиваться средствами откачки на уровне Р₀<10^-1-10^-2 Р_ат, которое постоянно поддерживается в камере декомпенсации. В этом случае каждая рабочая камера имеет непрерывный рабочий ход с двойным усилием на шток.

При этом работа силовой пары А<._п, которую она может производить в случае, если Р_вс=Р_ат=Р1 будет равна

А_сп = 2к Р_ат ϋ² Ь [1], где к=п/4=0,785;

И - эффективный диаметр поверхности подвижного торца камеры, м;

Ь - длина рабочего хода подвижного торца камеры, м.

В случае, когда Р₁=2Р_ВС при Р₀=< 10^-2-10^-4 Р_вс, силовая пара производит работу, равную

Пример.

Рабочая камера в любом из заявленных альтернативных исполнений имеет цилиндрическую форму, поэтому ее максимальный объем V [м³], будет равен

где И - эффективный диаметр поперечного сечения камеры, м;

Ь - длина рабочей камеры, которая равна расстоянию между верхней и нижней точками хода подвижного ее торца, м.

Если камера находится в вакууме, то сила Р атмосферного давления Р_ат [Па] на торцевую эффективную площадь ее поверхности 8 [м²] будет равна

Р=Р_ат8 [4], или

Р = кР_атО² [5].

Если рабочая камера наполнена атмосферным воздухом до давления Р_ат, то работа А [Дж], произведенная ею под действием силы атмосферного давления, будет равна

А = кР_этО²Ь [6].

Если объем рабочей камеры равен 1 л, то при нормальном атмосферном давлении Р_ат= 101325 Па, ее подвижный торец за один цикл без учета возможных потерь может произвести работу А=101 Дж.

Соответственно силовая пара за один цикл может произвести работу А_с||=202 Дж.

Цикличное изменение давления в рабочей камере от Р_ат=1,01 10⁵ Па до 1,01 10³-1,01 10² Па обеспечивает возможность возвратно-поступательного перемещения подвижных торцов силовой пары относительно корпуса устройства за счет внешнего источника энергии - атмосферного давления, т.е. производить постоянную во времени работу независимо от времени суток и погодных условий.

Применение данного устройства для получения механической работы от внешнего источника энергии позволит создать экономичные вакуумно-атмосферные энергомодули с повышенным КПД и мощные двигатели с малым потреблением топлива, что даст значительную экономию топлива для комбинированных автономных бензиновых и дизельных электростанций при той же отдаваемой мощности.

Замкнутый контур движения рабочей среды в заявляемом устройстве исключает выбросы в атмосферу, чем обеспечивается экологически чистая работа устройства в атмосфере и возможность работы в условиях высокогорья или открытого космоса.

Claims (3)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Устройство для получения механической работы от источника нетепловой энергии, содержащее корпус с расположенным внутри него рабочим механизмом, системы напуска и вакуумной откачки рабочей среды и исполнительный механизм, содержащий подвижный рабочий элемент и превращающий нетепловую энергию рабочей среды в полезную работу, при этом рабочий механизм включает рабочую камеру с изменяемым объемом, соединенную через впускные и выпускные клапаны с системами напуска и вакуумной откачки рабочей среды, часть поверхности которой выполнена подвижной с возможностью ее возвратно-поступательного движения под действием давления рабочей среды и жестко связана со штоком, кинематически соединенным с подвижным рабочим элементом исполнительного механизма, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит вакуумную камеру декомпенсации с вакуумным насосом, а его рабочий механизм содержит дополнительную аналогичную рабочую камеру с изменяемым объемом, соосную первой рабочей камере, при этом поверхности подвижных частей обеих рабочих камер оппозитно расположены внутри вакуумной камеры декомпенсации, а их подвижные торцевые поверхности жестко соединены между собой единым штоком с возможностью одновременного синхронного возвратно-поступательного движения с постоянным усилием на шток, рабочий торец которого герметично выведен за пределы корпуса вакуумной камеры декомпенсации и присоединен к подвижному рабочему элементу исполнительного механизма устройства.

   - 6 021678
2. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что подвижные части поверхности каждой рабочей камеры выполнены в виде сильфона с замкнутым рабочим торцом, который герметично прикреплен к неподвижной части поверхности рабочей камеры, или в виде полого цилиндра с замкнутым рабочим торцом, который герметично прикреплен к неподвижной части поверхности рабочей камеры с возможностью скользящего возвратно-поступательного движения относительно нее, или в виде гибкой мембраны, которая герметично прикреплена к неподвижной части рабочей камеры.
3. 3. Устройство по пп.1, 2, отличающееся тем, что в качестве исполнительного механизма использован линейный генератор электрического тока или кривошипно-шатунный механизм, крутящий момент коленвала которого превращается в дальнейшем в электрическую энергию или в механическую работу.