ITPN20120002A1 - Ammortizzatore con generazione di energia - Google Patents

Description

Descrizione del brevetto per invenzione industriale avente per titolo:

“AMMORTIZZATORE CON GENERAZIONE DI ENERGIA”

DESCRIZIONE

SETTORE TECNICO DELL’INVENZIONE

[0001]. La presente invenzione si riferisce ad un ammortizzatore provvisto di un sistema di recupero dell’energia dissipata attraverso la deformazione meccanica di elementi realizzati in materiale piezoelettrico con generazione di una corrente elettrica.

STATO DELLA TECNICA

[0002]. Dispositivi in grado di sfruttare l’energia ambientale e convertirla in energia elettrica hanno da sempre suscitato molto interesse sia nel settore commerciale sia in quello militare.

[0003]. La piezoelettricità è un fenomeno che si manifesta in particolari materiali, denominati appunto piezoelettrici, i quali, in condizioni di sollecitazione dinamica, danno luogo ad una variazione di carica in superficie, rilevabile come differenza di potenziale, mentre in assenza di sollecitazioni meccaniche, o durante sollecitazioni statiche, si comportano come normali dielettrici, non manifestando alcuna differenza di potenziale.

[0004]. Un elemento di materiale piezoelettrico sottoposto ad un’azione meccanica si polarizza generando una differenza di potenziale tra facce opposte: in particolare, se la sollecitazione viene correttamente applicata, la polarizzazione del materiale sarà direttamente proporzionale allo sforzo impartito.

[0005]. Pertanto, sfruttando la proprietà di tali materiali, è possibile convertire vibrazioni meccaniche, anche di lieve entità, in energia elettrica. In generale, è possibile sfruttare tale proprietà in qualsiasi ambiente in cui sia presente una forma di dissipazione dell’energia riconducibile ad un flusso discontinuo. Affinché si manifesti il fenomeno della piezoelettricità, la deformazione deve avvenire nella direzione dell'orientamento della struttura cristallina asimmetrica.

[0006]. Un ammortizzatore a pistone, atto ad essere associato ad esempio ad un macchinario, ad un veicolo o ad un elettrodomestico, è un tipico dispositivo meccanico in cui avviene una dissipazione discontinua di energia.

[0007]. Esso è generalmente formato da un involucro cilindrico cavo chiuso ad un’estremità da una parete di fondo e definente una cavità interna entro cui è scorrevolmente inserito un pistone. Inoltre, la cavità è parzialmente riempita con un fluido responsabile dell’azione ammortizzante, ad esempio un gas, o un liquido viscoso. Il pistone e l’involucro sono solidali rispettivamente ai due componenti il cui movimento relativo deve essere ammortizzato/smorzato,

[0008]. Il movimento del pistone all’interno della cavità definita dall’involucro cavo, indotto da sollecitazioni esterne, causa un alternarsi di pressurizzazioni e depressurizzazioni del fluido contenuto nella cavità, che provoca l’azione smorzante; l’energia viene quindi dissipata sotto forma di calore. Sarebbe invece desiderabile poter recuperare tale energia, convertendola in particolare in energia elettrica, la quale possa essere impiegabile per alimentare il macchinario stesso su cui il dispositivo è montato o altri dispositivi accessori.

[0009]. Tale proposito viene raggiunto ad esempio da un ammortizzatore realizzato come descritto nella domanda di brevetto statunitense US 2010/0244457 che mostra, in una particolare forma realizzativa, un dispositivo ammortizzatore a pistone comprendente una prima camera ed una seconda camera, mobili relativamente. Un pistone è unito alla prima camera e può traslare all’interno della seconda camera a seguito del movimento relativo delle due camere. Un prestabilito volume di un fluido viscoso, quale olio od acqua, è contenuto a tenuta all’interno della seconda camera, e le pareti della stessa sono rivestite di un materiale elastomerico dielettrico. Il movimento oscillatorio del pistone nel fluido viscoso, oltre a generare l’effetto smorzante, induce il fluido viscoso a premere contro la parete della seconda camera, sollecitando lo strato di materiale dielettrico che la riveste in modo da generare una corrente elettrica.

[0010]. Tuttavia, a causa della configurazione dell’ammortizzatore, lo stesso non potrebbe generare sufficiente corrente elettrica se il fluido di riempimento fosse un gas, ad esempio aria. Inoltre, non è possibile sfruttare tutta la potenzialità del sistema in quanto la deformazione che può subire lo strato di materiale dielettrico è minima.

RIASSUNTO DELL’INVENZIONE

[0011]. Compito principale di quanto forma oggetto della presente invenzione è quello di superare gli inconvenienti della tecnica nota escogitando un ammortizzatore che, pur garantendo un’idonea azione ammortizzante, sia in grado di recuperare efficientemente l’energia a disposizione, altrimenti dispersa sotto forma di calore, trasformandola in corrente elettrica.

[0012]. Nell’ambito del compito sopra esposto, un importante scopo è quello di escogitare un ammortizzatore che possa funzionare anche mediante l’impiego di un gas, quale l’aria.

[0013]. Ulteriore scopo della presente invenzione consiste nel fornire un ammortizzatore semplice da realizzare ma che garantisca un’elevata durata di funzionamento, sostanzialmente senza necessitare di manutenzione.

[0014]. Non ultimo scopo è quello di escogitare un ammortizzatore che consegua il compito e gli scopi sopra indicati a costi di produzione competitivi, in modo tale che il suo impiego risulti vantaggioso anche dal punto di vista economico, e che sia ottenibile con gli usuali e noti impianti, macchinari ed attrezzature.

[0015]. Il compito e gli scopi sopra indicati, ed altri che meglio appariranno in seguito, vengono raggiunti da un ammortizzatore come definito alla rivendicazione 1.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

[0016]. Ulteriori caratteristiche ed i vantaggi ottenibili mediante un ammortizzatore secondo la presente invenzione diverranno più evidenti dalla seguente descrizione di particolari, ma non esclusive, forme di realizzazione, illustrate a puro titolo di esempio non limitativo con riferimento alle seguenti figure:

la figura 1 mostra una vista prospettica di una prima forma realizzativa di un ammortizzatore secondo la presente invenzione;

la figura 2 è una vista prospettica sezionata di un componente dell’ ammortizzatore di cui alla precedente figura;

la figura 3 illustra schematicamente il comportamento di un componente dell’ ammortizzatore di figura 1 e 2;

le figure 4A e 4B mostrano, secondo due viste prospettiche sezionate, due varianti di una seconda forma realizzativa di un ammortizzatore secondo la presente invenzione;

la figura 5 è una vista prospettica di una terza forma realizzativa di un ammortizzatore secondo la presente invenzione.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL’INVENZIONE

[0017]. Con riferimento alle figure precedentemente citate, in particolare alle figure 1 e 2, è rappresentato un ammortizzatore 1 secondo una prima forma di realizzazione della presente invenzione, atto ad essere impiegato ad esempio come ammortizzatore per veicoli, o all'interno di sistemi antivibranti per elettrodomestici o per macchinari industriali di grossa taglia, o ancora come assorbitore d’urto.

[0018]. Detto ammortizzatore 1 comprende un involucro cavo 2, preferibilmente di forma sostanzialmente cilindrica, chiuso ad un’estremità da una parete di fondo 21 e aperto all’estremità opposta, cooperante con un pistone 3.

[0019]. Detto pistone 3 include una prima porzione 3A comprendente una superficie esterna 30 avente una forma accoppiabile alla forma di detto involucro cavo 2 ma tale da formare un’intercapedine radiale tra detta superficie esterna 30 di detta prima porzione 3A e la superficie interna 2A dell’involucro 2.

[0020]. Detta prima porzione 3A è atta ad essere scorrevolmente inseribile entro l’involucro 2, ed individua all’interno di esso una camera interna 2B, il cui volume è variabile poiché definito in base alla posizione del pistone 3. All’interno della camera 2B è presente un primo fluido, preferibilmente un gas, che, nell’esempio qui descritto, è aria.

[0021]. Ovviamente, nel caso in cui si adoperassero fluidi liquidi o gassosi diversi dall’aria, Tammortizzatore può essere opportunamente modificato con modalità note all'esperto del settore, senza con ciò fuoriuscire dall'ambito della presente invenzione.

[0022]. All’interno di detta camera 2B, in particolare in corrispondenza della parete di fondo 21 dell’involucro 2, sono alloggiati mezzi di contrasto elastico 22, quale ad esempio una molla a compressione (mostrata a titolo esemplificativo solo in figura 2), tramite la quale è possibile ottenere, come spiegato in seguito, il riarmo dell’ammortizzatore 1.

[0023]. Il pistone 3 comprende inoltre una testa 3B, prevista ad un’estremità di detta prima porzione 3A, su cui vengono scaricate le sollecitazioni esterne da ammortizzare.

[0024]. Il funzionamento deN’ammortizzatore 1 è il seguente: quando la testa 3B di detto pistone 3 riceve una sollecitazione esterna, la sollecitazione viene scaricata assialmente su detta prima porzione 3A, la quale viene indotta a scorrere all’interno dell’involucro cavo 2 in cui è presente il fluido, riducendo progressivamente il volume della camera 2B e di conseguenza comprimendo il fluido in essa contenuto.

[0025]. A seguito della compressione, il fluido tenderà a fluire verso l’esterno dell'involucro 2 passando forzatamente attraverso l'intercapedine radiale presente tra la superficie esterna 30 di detta prima porzione 3A e la superficie interna 2A di detto involucro 2.

[0026]. Il movimento del fluido, ostacolato dall’ampiezza limitata dell’intercapedine radiale, tende a rallentare la corsa del pistone 3, generando l’azione ammortizzante.

[0027]. Il pistone 3 passa quindi da una posizione di riposo, ossia una posizione in cui la prima porzione 3A è almeno parzialmente estratta rispetto a detto involucro 2, ad una posizione di ammortizzazione in cui detta prima porzione 3A è retratta all’interno di detto involucro 2 in contrasto con l’azione del fluido contenuto in detta camera interna 2B, fino a raggiungere la posizione di massima compressione, in cui la porzione di testa 3B del pistone 3 va in battuta sul bordo dell’involucro 2 ed il mezzo di contrasto elastico 22 è nella condizione di massima compressione.

[0028]. Il successivo riarmo, ossia il movimento inverso atto a riportare il pistone 3 dalla posizione retratta alla posizione estratta, è attuato da detto mezzo di contrasto elastico 22 che riporta il pistone 3 alla posizione di riposo, richiamando il fluido all'interno della camera 2B.

[0029]. Almeno un elemento piezoelettrico 4, realizzato almeno parzialmente in materiale piezoelettrico, è previsto all’interno di detto involucro cavo 2 per generare una corrente elettrica in risposta alle variazioni di pressione sviluppate sulla sua superficie, dovute al movimento di detto pistone 3.

[0030]. Detto almeno un elemento piezoelettrico 4 riveste in forma di strato almeno una porzione di almeno una tra detta superficie interna 2A di detto involucro cavo 2 e detta superficie esterna 30 di detta prima porzione 3A, vantaggiosamente entrambe.

[0031]. Preferibilmente, detto elemento piezoelettrico 4 è costituito da un polimero piezoelettrico, o piezo-polimero, facilmente depositabile o applicabile su una superficie, ed in grado di aderire in modo ottimale alla stessa. Inoltre, tale materiale piezoelettrico è stato selezionato in quanto particolarmente sensibile, ossia capace di deformarsi anche con piccole sollecitazioni. Tuttavia, anche altri materiali piezoelettrici sono utilizzabili.

[0032]. Come detto, quando il pistone 3 passa dalla posizione estratta alla posizione retratta all’interno dell’involucro 2, il primo fluido contenuto all’interno della camera interna 2B viene forzato verso l’esterno, fluendo attraverso l’intercapedine radiale; in questa fase, si sviluppa una pressione rilevante all’interno dell’intercapedine che comprime l’elemento piezoelettrico 4, deformandolo, e genera quindi una corrente elettrica.

[0033]. Infatti, è noto come un elemento in materiale piezoelettrico sottoposto ad uno stress meccanico di compressione, si polarizza e genera una differenza di potenziale tra le sue facce disposte sostanzialmente ortogonalmente alla direzione dello sforzo; collegando a dette due facce due corrispondenti conduttori elettrici aventi una resistenza interna inferiore a quella del materiale piezoelettrico, è possibile rilevare il passaggio di una corrente elettrica, la cui intensità è proporzionale all’ampiezza della deformazione di detto elemento piezoelettrico 4.

[0034]. E’ stato osservato che il rendimento del sistema viene incrementato nel caso in cui l’elemento piezoelettrico 4 e/o la superficie a cui esso viene applicato, ossia almeno una porzione della superficie interna 2A dell’involucro cavo 2 e/o della superficie esterna 30 della prima porzione 3A del pistone 3, comprende una o più cavità 5, aperte o chiuse.

[0035]. Infatti, durante la fase di ammortizzazione, oltre alla deformazione imposta direttamente dalla pressione che si sviluppa nell'intercapedine radiale, si aggiunge una quota di sollecitazione causata dalla compressione di tali cavità 5, che provoca un’ulteriore deformazione dell’elemento piezoelettrico 4, incrementando quindi la generazione di corrente.

[0036]. Vantaggiosamente, dette cavità 5 possono essere riempite con un secondo fluido, detto secondo fluido essendo uguale o diverso da detto primo fluido; in questo modo, la deformazione delle cavità 5 causa inoltre una compressione del secondo fluido contenuto in esse, dando luogo ad un ulteriore incremento della generazione di corrente elettrica.

[0037]. Secondo una prima forma realizzativa della presente invenzione, rappresentata in figura 2, detto elemento piezoelettrico 4 comprende una pluralità di cavità 5, o porosità, formate da una pluralità di celle cave, aventi geometria varia, distribuite al suo interno. All'aumentare della pressione sulla superficie dell’elemento piezoelettrico 4, le celle 5 sono indotte a deformarsi, come schematicamente illustrato in figura 3, trasferendo la sollecitazione a superfici interne delle celle 5, altrimenti non interessate dalla deformazione, generando un incremento nella generazione di corrente elettrica.

[0038]. Nel caso in cui dette celle 5 siano riempite con un secondo fluido, la deformazione a cui esse sono soggette sviluppa conseguentemente una pressione sul secondo fluido, che a sua volta sollecita ulteriormente il materiale piezoelettrico circostante, dando quindi luogo ad un ulteriore incremento nella generazione di corrente elettrica.

[0039]. Risultati comparabili a quelli ottenibili mediante tale prima forma realizzativa possono essere raggiunti modificando la struttura della superficie da rivestire con l’elemento piezoelettrico 4 anziché l’elemento piezoelettrico 4 stesso.

[0040]. Infatti, con riferimento alle figure 4A e 4B, vi sono illustrate due varianti di una seconda forma realizzativa della presente invenzione, in cui sulla superficie interna 2A dell’involucro 2, sulla quale è disposto l’elemento piezoelettrico 4, è realizzata almeno una o più cavità 5, preferibilmente una pluralità di cavità 5, formate da aperture cieche realizzate nella parete dell’involucro 2 e aventi opportuna geometria. Ad esempio, nel caso illustrato in figura 4A, dette cavità 5 hanno sezione rettangolare. Come per la forma realizzativa precedente, dette cavità 5 possono essere riempite con un secondo fluido, uguale o diverso da detto primo fluido.

[0041]. In questa seconda forma realizzativa, a causa della forte pressione che agisce sulla superficie dell’elemento piezoelettrico 4 durante la fase di ammortizzazione, l’elemento piezoelettrico 4 viene premuto contro la parete a cui è associato, fino a farlo aderire alla superficie di dette aperture cieche 5, deformandosi e dunque incrementando la generazione di corrente elettrica.

[0042]. Nel caso in cui all’interno di dette aperture cieche 5 sia previsto un secondo fluido, in fase di ammortizzazione viene compresso sia il primo fluido presente all’interno della camera 2B dell’involucro 2, sia anche detto secondo fluido: la deformazione dell’elemento piezoelettrico 4 avviene infatti in contrasto con il secondo fluido, comportando un’ulteriore sollecitazione del materiale piezoelettrico e quindi un incremento nella generazione di corrente elettrica.

[0043]. Una seconda variante particolarmente vantaggiosa di detta seconda forma realizzativa è illustrata in figura 4B. In questo caso, poiché le aperture cieche 5 hanno sezione triangolare, le aree di contatto tra l’elemento piezoelettrico 4 e la superficie interna 2A sono minime quando il pistone 3 è nella posizione di riposo e, quando il pistone 3 raggiunge la posizione di ammortizzazione, dette aree di contatto e conseguentemente la deformazione di detto elemento piezoelettrico 4, risultano massime.

[0044]. Come detto, oltre alla superficie interna 2A dell’involucro cavo 2, anche la superficie esterna 30 della prima porzione 3A del pistone 3 può essere provvista di cavità 5 nella forma di aperture cieche e rivestita con detto elemento piezoelettrico 4, come sopra descritto.

[0045]. Infine, in figura 5 è mostrata una terza forma realizzativa della presente invenzione, in cui una o più cavità 5 sono previste sulla superficie dell’elemento piezoelettrico 4; in particolare, dette cavità 5 sono aperte e definite da corrispondenti alette 5A aggettanti dalla superficie dello strato di piezoelettrico 4 verso l'interno dell'involucro 2.

[0046]. In questo caso, oltre alla deformazione “fluidodinamica”, causata cioè dalla compressione di dette cavità 5 e del fluido in esse presente, in questo caso coincidente con il primo fluido, è possibile sfruttare pure l’azione meccanica che si sviluppa grazie al contatto tra la superficie esterna della prima porzione 3A di detto pistone 3 e le estremità di dette alette 5A. Infatti, durante il funzionamento dell’ ammortizzatore 1, il movimento della prima porzione 3A all’interno dell’involucro 2 provoca la flessione di detta pluralità di alette 5A e dunque una ulteriore deformazione del materiale piezoelettrico di cui sono costituite, con conseguente incremento della corrente elettrica generata.

[0047]. Inoltre, dette alette 5A incrementano la superficie di piezoelettrico e si oppongono inoltre al moto del pistone 3, aumentano vantaggiosamente anche l’azione ammortizzante del ammortizzatore 1.

[0048]. Anche per questa terza forma realizzativa, l’elemento piezoelettrico 4 provvisto di alette 5A può essere disposto anche a rivestimento di almeno una porzione della superficie esterna 30 di detta prima porzione 3A, e vantaggiosamente sia su detta superficie esterna 30 sia su detta superficie interna 2A dell’involucro 2.

[0049]. Inoltre, sebbene non siano rappresentate nelle figure, sono possibili forme realizzative che comprendano più caratteristiche proprie di ciascuna delle forme realizzative sopra descritte, ossia in cui l’elemento piezoelettrico 4, posto a rivestimento di almeno una tra detta superficie interna 2A di detto involucro cavo 2 e detta superficie esterna di detta prima porzione 3A del pistone 3 comprenda al suo interno una pluralità di celle; l’elemento piezoelettrico 4 così realizzato sia associato ad una superficie sulla quale è prevista una pluralità di aperture cieche; e infine che sulla superficie di detto elemento piezoelettrico 4 rivolta verso l'interno di detto involucro 2 sia presente una pluralità di alette 5A.

[0050]. In conclusione, da quanto precede risulta quindi evidente come la presente invenzione consegua gli scopi ed i vantaggi inizialmente previsti: si è infatti ideato un ammortizzatore 1 che, oltre a garantire un’idonea azione ammortizzante, è in grado di recuperare efficientemente dell’energia altrimenti dispersa sotto forma di calore, generando corrente elettrica.

[0051]. L’ammortizzatore 1 della presente invenzione è atto ad operare sfruttando un gas, in particolare l’aria.

[0052]. Inoltre, risulta evidente come un ammortizzatore 1 secondo la presente invenzione sia estremamente semplice da realizzare e garantisca un’elevata durata di funzionamento, sostanzialmente senza necessitare di manutenzione.

[0053]. Pertanto, l’impiego di un ammortizzatore 1 secondo la presente invenzione risulta vantaggioso anche dal punto di vista economico, in quanto, oltre a consentire lo sfruttamento di energia altrimenti inutilizzata ed avere costi di realizzazione e mantenimento alquanto contenuti, consente di ottenere un buon rapporto tra costi, legati in particolare al prezzo attualmente elevato dei materiali piezoelettrici, e corrente elettrica prodotta.

[0054]. Naturalmente, la presente invenzione è suscettibile di numerose applicazioni, modifiche o varianti senza con ciò uscire dall’ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate.

[0055]. Inoltre i materiali e le attrezzature utilizzati per la realizzazione della presente invenzione, nonché le forme e le dimensioni dei singoli componenti, potranno essere i più idonei a seconda delle specifiche esigenze.

Claims (7)

1. Rivendicazioni del brevetto per invenzione industriale avente per titolo: “AMMORTIZZATORE CON GENERAZIONE DI ENERGIA” RIVENDICAZIONI 1. Ammortizzatore (1) comprendente - un involucro cavo (2) chiuso ad un’estremità da una parete di fondo (21) e definente una camera interna (2B) delimitata da una superficie interna (2A) entro cui è contenuto un primo fluido, - un pistone (3) avente una prima porzione (3A) comprendente una superficie esterna (30) di forma accoppiata a detto involucro cavo (2), detta prima porzione (3A) essendo scorrevolmente inseribile all’interno di detto involucro cavo (2), e una testa (3B) atta a ricevere le sollecitazioni in risposta alle quali detto pistone (3) trasla da una posizione di riposo, in cui detta prima porzione (3A) è almeno parzialmente estratta da detto involucro (2), ad una posizione di ammortizzazione in cui detta prima porzione (3A) è retratta all’interno di detto involucro cavo (2) in contrasto con l’azione di detto primo fluido, - mezzi di contrasto elastico (22), alloggiati all’interno di detta camera interna (2B) e atti a riportare detto pistone (3) dalla posizione di ammortizzazione alla posizione di riposo, e - almeno un elemento piezoelettrico (4), realizzato almeno parzialmente in materiale piezoelettrico, essendo previsto all’interno di detto involucro cavo (2) per generare una corrente elettrica in risposta alle variazioni di pressione sviluppate sulla sua superficie dovute al movimento di detto pistone (3) caratterizzato dal fatto che detto almeno un elemento piezoelettrico (4) riveste in forma di strato almeno una porzione di almeno una tra detta superficie interna (2A) di detto involucro cavo (2) e detta superficie esterna (30) di detta prima porzione (3A), detta superficie interna (2A) di detto involucro cavo (2) e/o detto elemento piezoelettrico (4) comprendendo una o più cavità (5) le quali, in risposta alle variazioni di pressione, deformano ulteriormente detto elemento piezoelettrico (4) incrementando la generazione di corrente elettrica.
2. 2. Ammortizzatore (1) secondo la rivendicazione 1 , in cui dette cavità (5) sono formate da celle chiuse realizzate all'interno di detto elemento piezoelettrico (4).
3. 3. Ammortizzatore (1) secondo la rivendicazione 1 , in cui dette cavità (5) sono formate da aperture cieche realizzate su almeno una tra detta superficie interna (2A) e detta superficie esterna (30) rivestite da detto elemento piezoelettrico (4).
4. 4. Ammortizzatore (1) secondo la rivendicazione 3, in cui dette aperture cieche (5) hanno sezione triangolare, in modo tale che le aree di contatto tra detto elemento piezoelettrico (4) e almeno una tra detta superficie interna (2A) e detta superficie esterna (30) rivestite da detto elemento piezoelettrico (4) siano minime quando detto pistone (3) è nella posizione di riposo e, quando detto pistone (3) raggiunge la posizione di ammortizzazione dette aree di contatto e conseguentemente la deformazione di detto elemento piezoelettrico (4) siano massime.
5. 5. Ammortizzatore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui dette cavità (5) sono riempite con un secondo fluido, uguale o diverso da detto primo fluido.
6. 6. Ammortizzatore (1) secondo la rivendicazione 1, in cui dette cavità (5) sono previste sulla superficie di detto elemento piezoelettrico (4) e sono definite da corrispondenti alette (5A) aggettanti dalla superficie di detto elemento piezoelettrico (4) verso l'interno di detto involucro (2).
7. 7. Ammortizzatore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto primo fluido è aria.