Третий путь - свертывание технической системы в одну из подсистем (главным образом - в рабочий орган)

Свертывание - это последовательное совмещение элементов системы:

• подсистема принимает на себя выполнение функции какого-либо вещества ТС (и это вещество исключается из ТС);
• совмещение двух подсистем в одной (и одна ПС исчезает);
• совмещение нескольких ПС в одной ;
• свертывание ТС в одну из подсистем .

Подсистемы часто уже обладают свойствами аналогичными свойствам веществ, используемых в данной ТС в другой ее части; остается только вытеснить это вещество, "поручив" выполнение его функции подсистеме. Если же какая-либо подсистема не обладает нужным свойством, ее следует изменить в требуемом направлении.

Несколько примеров:

• в Австралии разработаны солнечные фотоэлектропреобразователи, выполненные в виде черепицы из прозрачного пластика с вмонтированными фотоэлементами; крепление на крыше аналогично креплению керамической, цементной или стальной черепицы;
• в Японии начат выпуск электрических батарей толщиной не более 0,1 мм на твердом электролите; предлагается размещать батареи в самом корпусе устройства или прибора (изготовлять корпус из батарей);
• в Японии выпускаются домашние телевизионные антенны в виде настенного календаря; часть рисунков напечатана металлизированными красками или выполнена из тонкой алюминиевой фольги;
• у нас в стране разработана бытовая электроплита, не имеющая нагревательных конфорок, их роль выполняют днища любой металлической посуды; правда, для этого потребовалось ввести тиристорный преобразователь частоты (с 50 Гц до 20 кГц), ток повышенной частоты подается на первичную обмотку трансформатора, а в качестве вторичной обмотки используется дно посуды, достигнут высочайший КПД - 80 % (традиционный способ - не выше 20%).

При совмещении подсистем какая-то одна из них становится "главной" и принимает на себя выполнение дополнительной функции (от второй ПС). Если одна из ПС является рабочим органом, то именно эта подсистема остается и продолжает совершенствоваться.

Другие ПС как бы "стягиваются" к РО, размещаются в его пограничном слое, сливаются с РО:

• одна из автомобильных фирм разработала приборную панель автомобиля ближайшего будущего - панель монтируется на колонке рулевого колеса, кнопки находятся на таком расстоянии, которое позволяет доставать их пальцами;
• в Японии создан токарный станок с электронным блоком регулирования скорости (исчезли передаточный механизм, зубчатые колеса, валы и муфты), в котором электродвигатель постоянного тока совмещен со шпинделем станка;
• забортный двигатель с электроприводом (Япония, заявка 59-34558); винт с электродвигателем обособлен, максимально сближены и вынесены на консоли за борт;
• встроенный гребной винт (ФРГ, заявка 3312063). Мощный судовой винт должен обладать большим диаметром и малым числом оборотов, в то время как обычный электродвигатель обладает большим числом оборотов и малым диаметром ротора. Поэтому используются громоздкие редукторы и валы, испытывающие значительные знакопеременные нагрузки. Предложено совместить двигатель с рабочим органом - винтом. Ротор двигателя - винт, ступица которого выполнена из постоянных кобальт-самариевых магнитов, статор в виде кольца, охватывающего концы лопастей винта. Достигнуто резкое снижение М, Г, Э, уменьшен шум, несложно поворачивать для изменения направления движения судна. Создается образец с диаметром винта 2,5 м и мощностью 750 кВт.

В измерительных системах РО - это датчик. Поэтому свертывание измерительных ТС идет в направлении слияния всех частей с датчиком. Например, интегральные датчики представляют собой кремниевый кристалл, в котором объединены собственно чувствительный элемент и электронная схема формирования сигнала. Такие датчики обладают меньшими М, Г, Э и большей ГПФ.

Идеализируются (свертываются) даже... тюрьмы. В США ввиду переполненности тюрем в 35 штатах довольно широкое распространение получило содержание лиц, не совершивших тяжких преступлений, под домашним арестом, а для контроля их нахождения дома используются электронные средства. Средства контроля двух типов - активные и пассивные, соответственно за совершившими более или менее серьезные правонарушения. Активные средства представляют собой постоянно работающий передатчик, который вмонтирован в неснимающийся браслет, надеваемый на щиколотку ноги правонарушителя, а в его квартире устанавливаются радиоприемники, которые в произвольное время включаются и передают сигналы по телефонным каналам на ЭВМ в полицейском участке. Масса радиопередатчика 70 грамм. Для его извлечения из браслета требуется специальный инструмент, а при попытке разрезать или снять браслет радиопередатчик начинает излучать специальные сигналы. Прибор пассивного контроля включает ручной или ножной браслет и аппаратуру автоматического запроса.

Еще один сильный пример свертывания двух разнородных подсистем - лампы (излучатель света) и абажура (отражатель света). В США запатентована новая высокоэкономичная электрическая лампа (пат. США 4017758, 1978, кл. 313-112). На внутреннюю поверхность колбы нанесен тончайший слой серебра, заключенный между двумя слоями двуокиси титана, которые не задерживают видимый свет, но отражают инфракрасные лучи. Это прозрачное зеркало имеет такую кривизну (колба в форме эллипсоида), что ИК-лучи фокусируются на нити накала и разогревают ее - требуется в 2 раза меньше энергии при том же световом потоке.

Абажур (вспомогательная подсистема) оказался внутри лампы, поближе к рабочему органу. Здесь, в пределах, ограниченных колбой лампы, нет освещаемого (обрабатываемого) пространства, поэтому РО - нить накала, изделие - свет. Поглощенная подсистема расположилась на пограничном слое внутренней поверхности колбы. Высокая эффективность этого изобретения была оценена даже в Минэлектротехпроме СССР. Зам. министра, например, так "бичевал" собственные просчеты ("Изобретатель и рационализатор", 1980, № 8): "Можно привести пример с электрической лампочкой, созданной недавно в США и потребляющей при том же световом потоке в 2 раза меньше энергии. Мы прозевали создание такой лампочки. Но по материалам патентных фондов еще 3-4 года назад можно было определить направление интенсивных поисков зарубежных исследователей и предвидеть достигнутый результат. Если бы это было сделано вовремя, создание принципиально нового источника света мы смогли бы внести в план исследовательских работ и иметь сейчас подобную лампочку".

Некомпетентность этого заявления очевидна: если патентные материалы "подсказывали" это решение еще несколько лет назад, то почему его изобрели не у нас?

Изобретение сделано в полном соответствии с одним из законов отечественной теории изобретательства. Оно должно было появиться намного раньше зарубежных разработок.

Более того, если бы специалисты заглянули в отечественный фонд изобретений (кл. Н01К), то обнаружили бы, что первый шаг в этом направлении сделан именно в СССР: - пат. СССР 3284, 1925 г., П.В.Бехтерев. "Электрическая лампа накаливания с рефлектором внутри". Вот краткое изложение рассуждений автора изобретения. В существующих лампах свет распределяется нерационально, т.е. излучаемая световая энергия используется плохо. Этот дефект в значительной мере исправляется применением надлежащих абажуров за счет явления отражения света от внутренней поверхности абажура. Однако эмалированные железные абажуры отражают свет слабо, а зеркальные, вследствие легко возникающего потускнения и прочих причин, не могут считаться вполне практичными. Внутри же лампы нет ни пыли, ни мух, ни окислительных газов. Автор предлагает помещать внутрь колбы рефлекторы разных типов: параболический (как прожектор - сноп света), выпуклый, вогнутый, декоративный, и даже - голофановый; последний представляет собой в поперечном сечении призмы голофана - в виде сложенных рядом и изогнутых треугольных призм из прозрачного стекла, причем, поверхность, обращенная к нити накала гладкая, а наружная - ребристая, этим достигается полное внутреннее отражение.

То есть, прогрессивная идея совмещения отражателя с лампой и придания отражателю определенной геометрической формы высказана давно, еще в начале периода массового применения электрической лампы.

Пат. США 2859336 (1958) - лампа с теплоотражающим экраном, фокусирующим излучение на вольфрамовой нити; однако при температуре 2600-3000 0 К вольфрам начинал испаряться и оседать на колбу, колба затемнялась.

Пат. ФРГ 2790151 (1975) - для снижения температуры вольфрамовой спирали внутрь ее помещают материал, излучающий видимый свет при нагревании.

А.с. СССР 202326 - с той же целью на стержень из нитрида алюминия нанесен вольфрамовый порошок.

В этих изобретениях попытались использовать "вредную" энергию ИК-лучей на дополнительный разогрев спирали и сразу же натолкнулись на ограничение по предельной температуре вольфрама (до его испарения). Выгоднее не поднимать температуру, а снизить количество энергии, потребной для разогрева спирали. Для этого необходимо увеличить процент начального излучения в ИК-области и соответственно снизить в видимой.

Пат. Франции 2253273 (1973) - тело накала расположено внутри прозрачного в видимой области света баллона с экраном, отражающим ИК-излучение на это тело накала. В этой лампе тело накала излучает вначале 5-10 % видимого излучения и 90-95 % ИК-излучения, поэтому температура быстро возрастает и мощность видимого излучения увеличивается.

В пат. США 4017758 - колба в виде эллипсоида и нить накала расположены в одном фокусе эллипсоида, т.е. значительная часть тепловой энергии рассеивается.

В пат. США 4160929 (1978) предложена сферическая колба (меньшая, чем у эллипсоида, площадь поверхности и один фокус), в центре которой помещено малогабаритное тело накала. Тело накала должно быть малогабаритным, т.к. центр сферы - точка. Такое тело накала ограничивает мощность лампы.

А.с. 1023451 (1983) - электрическая лампа накаливания, содержащая колбу из оптически прозрачного материала в форме эллипсоида вращения с нанесенным на ее внутреннюю поверхность, отражающим инфракрасное и пропускающим видимое излучение, и установленное в ней тело накала в виде спирали и отражатель, имеющий форму, подобную форме колбы и обращенный вогнутой стороной к телу накала, отличающийся тем, что с целью повышения КПД излучения, указанный эллипсоид образован вращением эллипса относительно меньшей оси симметрии, а тело накала выполнено тороидальным и установлено так, что оно охватывает кольцевую линию фокусов.

При вращении эллипса множество фокусов f1 и f2 (рис. 39 а) образуют кольцевую линию f. Спираль охватывает f.

При включении тело накала излучает видимые и невидимые (тепловые) лучи. Тепловые лучи изображены сплошной линией (рис. 39 в), отраженные - одной пунктирной. Видимые лучи, которые выходят за пределы колбы, изображены двойной линией.

Отраженные тепловые лучи возвращаются к телу накала в другом фокусе в виде дополнительного источника нагрева. Такое же распространение лучей повторяется в любом осевом сечении по длине спирали.

А.с. 1083253 (1984) - электрическая лампа накаливания, в которой с целью повышения световой отдачи и снижения требований к точности ее изготовления, в другом фокусе колбы установлен элемент, имеющий коэффициент поглощения ИК-излучения не менее 0,9 и температуру плавления не менее 2000 0 К.

В качестве материала для элемента 4 может быть использован прессованный силицид бора, карбид или нитрид кремния с температурой плавления около 3000 0 К. При разогреве он излучает дополнительный свет без подвода дополнительной энергии.

Здесь второе тело накала - диэлектрик. Может быть вообще для вольфрамовой нити оставить лишь роль излучателя ИК-энергии? Т.е. разделить функции между двумя веществами и тем самым исключить проблему испарения вольфрама.

А.с. 1100658 (1984) - лампа накаливания, в которой тело накала окружено сеткой, поглощающей ИК-излучение и испускающей видимое, причем соотношение объемов сетки и баллона 1:4-1:30, а тела накала и сетки 1:3-1:10; размеры отверстий в сетке 35-80 мкм; сетка выполнена из окислов металлов и обладает в ИК-области чернотой 0,4-1,0.

Лампа накаливания работает следующим образом. Тело накала, разогретое до 2600-3000 0 К излучает 4-9 % видимого и более 90 % ИК-излучения. Окружающий газ, например, ксенон, передает тепло на сетку 2.

Окисная сетка состоит из окислов циркония, тория или гафния с церием, которые поглощают ИК и излучают видимый свет. При отверстиях в сетке менее 35 мкм увеличивается УФ-, а при размерах более 80 мкм увеличивается ИК-излучение. Шероховатый слой на внутренней поверхности колбы - для рассеивания света.

А.с. 1309120 (1987) - лампа накаливания, в которой для повышения КПД внутренняя отражающая поверхность колбы образована вращением двух соединенных между собой противоположно направленных отрезков парабол, имеющих общую ось и общий фокус, расположенный на пересечении оси парабол и кольцевой линии фокусов, причем на остальную часть отражающей поверхности нанесено зеркальное покрытие.