将化学能快速转化为可用电能的方法与流程

1.本公开涉及将化学能或动能转化为可用电能的方法和系统。


背景技术：

2.在偏远场地为电器充电时可能会遇到挑战。现有的解决方案通常涉及携带多个已充电的替换电池。然而，电池很重，能量密度相对较低，并且能量消耗缓慢(因此，需要频繁的充电，这也许不总是可能的)。需要一种更方便、轻巧且能量密度更高的方法来在野外存储能量。本文描述的实施方式满足了这一需求。


技术实现要素：

3.本公开内容描述了一种再生制动系统，其用于将抛射体(projectile)的动能转化为适于为电器供电或为电池充电的电能。再生制动系统可以以多种方式实施，包括但不限于以下方式。
4.1.再生制动系统，其包括：
5.桶管，其包括镗孔；
6.电路，其包括沿镗孔的长度分布的多个导电部件；和
7.抛射体，其包括当抛射体沿镗孔的长度移动时，磁性地耦联导电部件的导电材料或磁性材料中的至少一种。当沿镗孔的长度移动的抛射体引起导电部件与磁性材料或导电材料中的至少一种之间的磁性相互作用时，电路存储由在导电部件中感应的电流生成的能量。磁性相互作用进一步引起抛射体的制动。
8.2.实例1的系统，其中：
9.当抛射体沿镗孔的长度移动时，抛射体生成第一磁场，该第一磁场被配置为在导电部件中感应电流，和
10.电流生成第二磁场，并且导电部件被配置使得第二磁场与第一磁场的磁性相互作用引起抛射体的制动。
11.3.实例1的系统，其中磁性相互作用在沿膛孔的长度移动的抛射体中的导电材料中感应涡流。
12.4.实例1
‑
3的任一项中的系统，进一步包括连接器，该连接器被配置为将桶管附接到枪械的枪口，其中抛射体包括从枪口射入桶管的子弹。
13.5.实例4的系统，其中桶管包括位于导电部件的前方的通风口，以使得该通风口排出来自枪械的排气。
14.6.实例1
‑
5的任一项中的系统，其中导电部件被配置使得：
15.抛射体以可以用手停止的速度，或小于10m/s的速度离开镗孔，或
16.抛射体的动能降低了至少90％，并且至少一部分动能转化为包括电能的能量。
17.7.实例1
‑
2或4
‑
6的任一项中的系统，其中磁性材料包括永磁体。
18.8.实例1
‑
7的任一项中的系统，其中每个导电部件包括线圈。
19.9.实例1
‑
8的任一项中的系统，其中导电部件包括耦联磁体的耦合线圈。
20.10.实例1
‑
9的任一项中的系统，进一步包括耦联桶管的反应器，其中该反应器被配置为：
21.使化学推进剂与反应物发生反应，从而形成排出的燃烧产物；和
22.引导排出的燃烧产物以推进抛射体通过镗孔。
23.11.实例10的系统，其中反应器包括燃烧室。
24.12.实例11的系统，其中抛射体包括活塞。
25.13.实例12的系统，进一步包括用于在活塞行进了镗孔的长度之后将活塞返回到反应器的系统。
26.14.实例1
‑
13中的任一项所述的系统，其中电路包括一个或多个存储从电流生成的能量的电容器。
27.15.实例1
‑
14的任一项中的系统，其中导电部件与电容器并联连接。
28.16.实例1
‑
15的任一项中的系统，进一步包括：
29.连接到电路的电池，其中电池存储能量。
30.17.实例16的系统，其中能量能够给蜂窝电话、收音机、电视、计算机、全球定位系统、空调系统或电动汽车电机供电。
31.18.实例1
‑
17的任一项中的系统，其中电路包括缓冲电路：
32.使用电流并以与抛射体沿镗孔行进的时间尺度相对应的第一时间常数为电容器充电，和
33.根据对于电池的制造商说明书，以比第一时间常数更长并与充电时间相对应的第二时间常数，将电容器放电到电池中。
34.19.一种交通工具，其包括包含实例1
‑
18的任一项的系统的道路车辆(例如汽车、卡车、公共汽车或坦克)、飞机或船只(例如艇)。
35.20.实例19的交通工具，进一步包括使用该装置供电的电磁武器。
36.本公开内容进一步描述了一种操作枪械的方法，包括：
37.枪械开火，以从枪械中推进抛射体；
38.将抛射体的动能转化为电能；和
39.使用电能为电池充电。
40.在一个或多个实例中，方法进一步包括提供包括桶管的枪械，该桶管包括镗孔；提供电路，该电路包括沿镗孔的长度分布的多个导电部件；和提供抛射体，该抛射体包括当抛射体沿镗孔的长度移动时，磁性地耦联导电部件的导电材料或磁性材料中的至少一种。当沿镗孔的长度移动的抛射体引起导电部件与磁性材料或导电材料中的至少一种之间的磁性相互作用时，电路存储由在导电部件中感应的电流生成的能量。磁性相互作用进一步引起抛射体的制动。
附图说明
41.图1示出了根据第一实例的再生制动系统。
42.图2示出了根据第二实例的再生制动系统。
43.图3示出了根据本文所述的一个或多个实例的再生制动系统中的实例磁场分布。
44.图4示出了根据本文所述的一个或多个实例的在野外应用中使用再生制动系统的士兵或徒步者。
45.图5示出了根据本文所述的一个或多个实例的包括再生制动系统的交通工具。
46.图6是流程图，其示出了根据本文所述的一个或多个实例的制造再生制动系统的方法。
47.图7是流程图，其示出了根据本文所述的一个或多个实例的使用再生制动系统的方法。
具体实施方式
48.在下面的描述中，参考形成其一部分的附图，并通过说明的方式示出了几个实例。应当理解，在不脱离本公开内容的范围的情况下，可以利用其他实例，并且可以进行结构上的改变。
49.技术说明
50.本公开内容描述了一种系统，该系统使用法拉第定律以快速、直接地将(由化学能推进的)磁化和/或导电的抛射体的动能转化为可用的电能。在一个实例中，“反向线圈枪”的磁性制动作用从高动能抛射体(其初始动能由化学能生成)中除去能量，并在磁性地耦联抛射体的电路中产生电压。与电压相关的电能可直接由应用使用，或为电容器或电池充电以备后用。该系统大大减少了储能的重量。
51.枪械实例
52.图1示出了再生制动系统100，该再生制动系统包括具有镗孔104的桶管102，包括沿镗孔104的长度110分布的多个导电部件108的电路106；和抛射体112，该抛射体112包括当抛射体112沿着镗孔104的长度110移动时，选自磁性耦联导电部件108的导电材料或磁性材料中的至少一种的材料114。实例导电部件108包括但不限于耦联磁体147的线圈144或耦合线圈(144b)。实例磁性材料包括但不限于永磁体145。
53.当沿膛孔104的长度110移动的抛射体112引起导电部件108和材料114之间的磁性相互作用120时，电路106存储由在导电部件108中感应的电流118生成的能量116。磁性相互作用120还引起抛射体112的制动或减慢。在一个或多个实例中，电路106包括(或被连接到)用于存储能量116以给电器或其他设备158供电的电容器154和/或电池156。
54.在图1所示的实例中，系统是可移除地附接到枪械130或在枪械130上重装的附件。连接器132用于将桶管102附接到枪械130的枪口134，使得抛射体112(子弹136)从枪口134发射到桶管102中。桶管102或连接器132包括位于导电部件108前方的通风口138，使得通风口138从枪械130排出排气140。
55.活塞实例
56.图2示出了实例再生制动系统200，其中抛射体112包括活塞202。系统进一步包括连接桶管102的反应器204(例如，燃烧室203)，并且反应器204被配置为(1)使化学推进剂206与反应物208(例如，空气或氧气)反应以便形成排出产物210，并且(2)引导排出产物210以推进活塞202通过镗孔104。反应器204包括用于输入空气的进气口212，用于输出排出产物210的排出口214以及用于点燃化学推进剂206的火花塞216。再生制动系统200进一步包括机构218，该机构218用于在推进和制动后，在活塞202已经沿镗孔104的长度110行进之
后，使活塞202返回至反应器204。在所示的实例中，机构218包括连杆220、曲柄222、曲柄销224和曲柄轴226，其中活塞202的往复运动的一部分被转换为曲柄222的旋转运动，其然后被用于推动连杆220，连杆220将活塞驱动回反应器204。
57.实施例磁场分布
58.图3示出了导电部件108和抛射体112之间的多种实例磁性相互作用120。在一个实施中，当抛射体112沿镗孔104的长度110移动时，抛射体112生成第一磁场122，该第一磁场122被配置为在导电部件108中感应电流118。电流118生成第二磁场124，并且导电部件108被配置使得第二磁场124与第一磁场122的磁性相互作用120引起抛射体112制动，例如由于将抛射体112的动能117转化为电能116。在多种实例中，第二磁场124不在抛射体112的后面延伸以防止沿镗孔104推动抛射体112。
59.在另一个实施中，其中抛射体112包括导电材料，磁性相互作用120在沿膛孔104的长度110移动的抛射体112的导电材料中感应涡流。涡流的形成引起抛射体的制动，因为抛射体的动能117在涡流中消散。
60.应用实施例
61.图4示出了操作包括手持或便携式设备的再生制动系统100的人400(例如，士兵402或徒步者404)。手持设备用于为电池充电，以便在野外进行小规模发电。在一个或多个实例中，导电部件108被配置使得制动引起抛射体112以小于10m/s的速度、以可以由不受保护的手或受保护的手(例如，用防具或手套保护的手)停止的速度离开镗孔。在一个或多个进一步的实例中，抛射体的动能降低了至少90％
‑
99％，并且至少一部分动能被转化为包括电能的能量116。移动的50口径步枪弹药筒中的平均能量约为50kj，这足以为碱性aa电池(约10kj储能容量)、c电池(约35kj储能容量)和nicd电池充电(约这些能量的1/3)或nimh电池(约这些能量的1/2)。可以使用多次点火或更大口径的弹药筒为碱性d电池(约75kj储能容量)充电。
62.在一个或多个实例中，能量116能够为选自蜂窝电话、收音机、电视、计算机、全球定位系统、空调系统或电动汽车电机(电动机)的至少一个电器或设备158供电。
63.图5示出了包括图2所示的再生制动系统200的交通工具500(坦克)。交通工具进一步包括电磁武器502，并且再生制动系统200用于为电磁武器502的能量系统快速充电。尽管示出了坦克，但是在其他实例中，再生制动系统200被安装在海军和飞机枪的附近飞机和的船只(例如，艇)上，以分别快速给海军枪或飞机枪充电。开火的m1艾布拉姆斯(m1 abrams)坦克壳的能量约为30mj，其足以为多个电池或混合动力汽车电池充电(约5.4mj的存储容量)。其他实例交通工具包括但不限于汽车、卡车、吉普车或公共汽车。
64.表1：标准电池的多种能量容量以及可用于为这些电池充电的多种口径子弹的动能，其中子弹参考其nato命名法。
[0065][0066]
方法步骤
[0067]
制造方法
[0068]
图6示出了制造再生制动系统的方法(也参考图1和图2)。
[0069]
框600表示获得或制造包括镗孔104的桶管102。在一个或多个实例中，使用通常用于制造枪械的材料(例如金属)来制造桶管和镗孔。示例桶管和镗孔包括但不限于具有圆柱形横截面或非圆柱形横截面的镗孔和桶管。
[0070]
框602表示沿着镗孔104的长度110布置或分布多个导电部件108。实例导电部件包括但不限于耦联磁体的线圈144(包括导线)、绕组(包括导线)或耦合线圈(包括导线)。在一个实例中，导电部件包括沿着镗孔的长度线性地布置的线性线圈组。导电部件的实例材料包括通常用于制造导电线圈和绕组的材料，例如，包括金属(例如，银、铜、钨等)的导线。磁体的实例材料包括但不限于稀土材料(例如，钕)。
[0071]
框604表示获得或制造抛射体112，该抛射体112包括至少一种材料114，该至少一种材料114选自当抛射体沿镗孔的长度移动时可以磁性耦联导电部件的导电材料或磁性材料。实例磁性材料包括永磁体，该永磁体包括例如稀土材料(例如，钕)。导电材料的实例材料包括通常用于制造导电线圈、绕组、环路或导线的材料，例如金属，例如但不限于银、铜、钨等。
[0072]
框606表示连接包括导电部件的电路。电路106被配置为当沿膛孔的长度移动的抛射体引起在导电部件和材料之间的磁性相互作用120时，存储由在导电部件中感应的电流118生成的能量116。在一个或多个实例中，电路106包括(或连接到)用于存储能量116的电容器154和/或电池156。
[0073]
在一个或多个实例中，电路106包括缓冲电路：
[0074]
使用电流118并且以与抛射体112沿着镗孔104行进的时间尺度相对应的第一时间常数对电容器154进行充电；以及
[0075]
根据对于电池的制造商说明书，以比第一时间常数更长并与充电时间相对应的第二时间常数，将电容器154放电到电池156中。
[0076]
框608表示最终的结果，如图1或图2所示的再生制动系统。
[0077]
框610表示将再生制动系统附接到枪械、反应器或其他系统上，用于沿镗孔推进抛射体。枪械的例子包括但不限于枪、手枪、突击武器或机枪。反应器的实例包括但不限于内燃机中使用的燃烧室。
[0078]
操作方法
[0079]
图7示出了操作枪械的方法。
[0080]
框700表示开火枪械以从枪械中推进抛射体。
[0081]
框702表示将抛射体的动能转化为电能。
[0082]
框704表示使用电能对电池充电。
[0083]
方法解决了在野外向武器或其他设备充电的问题。具体而言，方法能够使用直接能量转化将高密度化学能快速转化为可用的电能，与现有技术的电池相比，减轻可储能的重量。
[0084]
现有的解决方案通常涉及携带多个已充电的替换电池。但是，与化学能解决方案相比，电池很重且能量密度相对较低。此外，电池缓慢地失去能量并且需要频繁地充电，这需要再充电的电源和能量源。本文描述的方法的实施方式要求在野外运输仅一个电池，因为能量存储在用于抛射体开火的推进剂的化学能中，并且仅在需要对电池进行再充电时才将化学能转化为电池。
[0085]
结论
[0086]
这总结了本公开内容的实例的描述。为了说明和描述的目的，已经呈现了实例的前述描述。并不旨在穷举或将本公开内容限制为所公开的精确形式。根据以上教导，许多修改和变化是可能的。旨在权利的范围不受此详细描述的限制，而是受所附权利要求书的限制。