用于控制斯特林型機(jī)器或發(fā)動(dòng)機(jī)的功率的設(shè)備和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于控制斯特林型機(jī)器或發(fā)動(dòng)機(jī)的功率的設(shè)備和方法。本發(fā)明設(shè)置閥裝置來控制將驅(qū)氣活塞氣缸的熱端和冷端相連的氣體流動(dòng)通路內(nèi)的工作氣體流動(dòng)；所述閥裝置受到合適的發(fā)動(dòng)機(jī)速度、行程或功率檢測器的控制。
【專利說明】
用于控制斯特林型機(jī)器或發(fā)動(dòng)機(jī)的功率的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及用于連續(xù)控制各種斯特林型機(jī)器的速度、行程或功率的設(shè)備和相關(guān)的方法，更具體地說，涉及利用定位在連接壓縮空間和膨脹空間的工作氣體流動(dòng)通路中的可變閥裝置的設(shè)備和方法。操作模式涉及手工地或與感測裝置相結(jié)合地連續(xù)調(diào)節(jié)在流動(dòng)通路中來回流動(dòng)的工作氣體，以控制速度、行程或功率，其中，感測裝置檢測機(jī)器的操作參數(shù)并控制閥裝置以連續(xù)地調(diào)節(jié)工作氣體流動(dòng)?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]利用來自太陽能收集器、聚能器等的能量以及燃燒廉價(jià)廢品的經(jīng)濟(jì)可行性的增加，已經(jīng)增大了將斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)作為將熱能直接轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的機(jī)器的吸引力。
[0003]斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)公知多年，并且依賴限制在工作空間中的大量工作流體的壓力變化來工作。這些壓力變化是由工作流體的交替加熱和冷卻引起的，該工作流體受到在工作空間的連通的膨脹(熱)空間部分和壓縮(冷)空間部分之間的活塞運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)制。
[0004]斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)具體問題是，當(dāng)它們沒有加載或欠載時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)可能過速，結(jié)果直接損壞發(fā)動(dòng)機(jī)并縮短發(fā)動(dòng)機(jī)壽命。由于與加熱器相關(guān)的熱慣性非常大，不可能簡單地通過控制燃料的燃燒率來響應(yīng)外部負(fù)荷的快速變化。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)利用各種方法來試圖增強(qiáng)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)外部負(fù)荷的快速變化的能力。一個(gè)有效的功率調(diào)節(jié)器是位于壓縮空間和回跳空間之間的可調(diào)節(jié)排氣口。然而， 這種嘗試的解決方案需要常閉的壓力型閥。
[0006]另一個(gè)嘗試是改變工作氣體填充壓力，這種填充壓力如果快速進(jìn)行則發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件上施加大的壓力。這種壓力調(diào)節(jié)技術(shù)在大氣壓力下容易過速，即使所有填充壓力被釋放也是如此。另一個(gè)缺點(diǎn)是過長的填充壓力恢復(fù)時(shí)間，從而高達(dá)大約10分鐘都不能再次達(dá)到全功率。
[0007]美國專利N0.3, 724, 206公開了一種用于閉合循環(huán)驅(qū)氣活塞型的熱氣發(fā)動(dòng)機(jī)的速度控制調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器包括:單獨(dú)加熱裝置，該單獨(dú)加熱裝置位于再生裝置和驅(qū)氣活塞氣缸的熱端之間；通道，該通道通過從所述再生裝置直接通到驅(qū)氣活塞氣缸的熱端而繞過加熱裝置；外部控制的可變閥，該可變閥確定工作流體在被傳送到驅(qū)氣活塞氣缸的熱端時(shí)將繞過加熱裝置的部分(如果有的話)；以及非可變閥，該非可變閥允許工作流體在從驅(qū)氣活塞氣缸的熱端傳送出來時(shí)全部繞過加熱裝置。
[0008]另一個(gè)系統(tǒng)是給分開的儲存器設(shè)置閥控制的排氣口，以降低發(fā)動(dòng)機(jī)效率并因此減少發(fā)動(dòng)機(jī)功率。美國專利N0.3, 756, 018公開了一種裝置，該裝置在連接至發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的較低溫度部分的每個(gè)氣缸中在較高溫度位置改變多腔室存儲器中的氣態(tài)工作介質(zhì)的平均壓力，其中閥調(diào)節(jié)裝置控制發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的可變階段和冷卻部分的氣體壓力的隨動(dòng)。
[0009]美國專利N0.2, 547, 781公開了一種熱氣體發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)具有:工作腔室；包括不同腔室的控制系統(tǒng)；以及裝置，該裝置包括可變流動(dòng)阻力循環(huán)孔口，該孔口總是打開以將不同腔室連接至工作腔室；用于改變流動(dòng)阻力循環(huán)孔口的閥裝置；以及用于操作閥裝置的致動(dòng)裝置，所述致動(dòng)裝置響應(yīng)于發(fā)動(dòng)機(jī)的速度。
[0010]美國專利 N0.228, 716、N0.1，895, 082、N0.3, 220, 178、N0.4, 019, 322 和 N0.4, 622, 813也是涉及氣門發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的相關(guān)示例。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]因而，本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)類型的斯特林機(jī)器，該機(jī)器能夠快速、簡單、 有效地對其操作進(jìn)行控制。本發(fā)明的另一個(gè)目的提供一種能夠容易有效地調(diào)節(jié)機(jī)器的輸出以與負(fù)荷要求匹配的斯特林機(jī)器。
[0012]本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供一種可變阻尼閥，該可變阻尼閥位于機(jī)器的熱交換器環(huán)路中，用于限制其中的流動(dòng)以降低熱傳遞和功率能力，并且用于導(dǎo)致熱交換器環(huán)路中發(fā)生流動(dòng)損失以減少可用功率。
[0013]通過進(jìn)一步研究說明書和所附權(quán)利要求，本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點(diǎn)對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將變得清楚。
[0014]本發(fā)明涉及一種用于各種斯特林機(jī)器的控制阻尼機(jī)構(gòu)，該控制阻尼機(jī)構(gòu)能夠以特別有效的方式連續(xù)地控制所述機(jī)器的操作。斯特林機(jī)器既包含膨脹空間，又包含壓縮空間， 膨脹空間和壓縮空間借助于通常含有加熱器、再生器和冷卻器的流動(dòng)通路相連。機(jī)器的活塞的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)制氣體穿過該連接用流動(dòng)通路來回振蕩。
[0015]本發(fā)明涉及在工作氣體流動(dòng)通路中有效地定位可變閥裝置，諸如可旋轉(zhuǎn)阻尼環(huán)， 該可旋轉(zhuǎn)阻尼環(huán)具有多個(gè)槽和敞開流體通道裝置，它們被布置成與各種分開的更小流動(dòng)區(qū)段形成一對一的對應(yīng)，在優(yōu)選實(shí)施方式中，所述更小流動(dòng)區(qū)段包括所述工作氣體流動(dòng)通路。 這樣得到的閥裝置通過改變可用流動(dòng)面積來調(diào)控振蕩的工作氣體流動(dòng)，并且其運(yùn)動(dòng)和所得到的裝置受到來自發(fā)動(dòng)機(jī)速度、行程或功率檢測器的反饋來控制。檢測器根據(jù)機(jī)器的操作參數(shù)連續(xù)地控制所述閥裝置的流動(dòng)阻力，從而減小過高的速、行程或功率。增大流動(dòng)阻力是為了減小功率。在這種方式中，所得到的阻尼系統(tǒng)操作而確保機(jī)器永遠(yuǎn)不會(huì)超過不安全的或不期望的速度、行程或功率?！靖綀D說明】
[0016]圖1是適合于利用本發(fā)明的阻尼閥系統(tǒng)的自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的圖解視圖，該阻尼閥系統(tǒng)控制穿過熱空間-再生器-冷空間內(nèi)燃機(jī)通路的流動(dòng)。
[0017]圖2是在工作氣體流動(dòng)通道的截面中居中的阻尼環(huán)的橫截面圖，在所述通道中阻尼環(huán)或者阻擋氣體通過或允許氣體通過。
[0018]圖3公開了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，該實(shí)施方式涉及帶槽的環(huán)的冷空間(slotted ring cold space)的優(yōu)選位置。
[0019]在描述附圖中示出的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式時(shí)，為了清楚起見將采取具體的術(shù)語。然而，并不是為了將本發(fā)明限制于這樣選擇的特定術(shù)語，并且應(yīng)該理解的是，每個(gè)特定術(shù)語包括以類似方式操作以完成類似目的的所有技術(shù)等同物。例如，經(jīng)常使用措辭“連接” 或類似的術(shù)語。它們不限于直接連接，而是包括通過其他元件的連接，其中本領(lǐng)域技術(shù)人員可將這種連接認(rèn)識為等同物?！揪唧w實(shí)施方式】
[0020]首先，需要強(qiáng)調(diào)的是，這里公開的具體功率控制裝置適合于所有類型的斯特林機(jī)器，無論是斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)還是斯特林冷卻器，包括曲柄型、自由活塞型、林邦型、多氣缸型等。因而，附圖中所示的【具體實(shí)施方式】應(yīng)該看成僅僅是示例性的。
[0021]圖1示出了具有殼體10的斯特林型發(fā)動(dòng)機(jī)，該殼體10圍繞工作空間12。工作空間12被進(jìn)一步細(xì)分成膨脹空間16和壓縮空間18。這些空間填充或裝填有適合于在斯特林機(jī)器中使用的加壓氣體，例如空氣或氫氣。動(dòng)力活塞20可往復(fù)運(yùn)動(dòng)地安裝在動(dòng)力活塞氣缸22中。具有相對較小質(zhì)量但是具有相當(dāng)容積并具有密封件25的驅(qū)氣活塞24可在形成在工作空間12中的驅(qū)氣活塞氣缸26中往復(fù)滑動(dòng)。
[0022]驅(qū)氣活塞桿28接合驅(qū)氣活塞24,并且可滑動(dòng)地軸向延伸穿過軸承30,所述軸承30 被形成為軸向穿過動(dòng)力活塞20。動(dòng)力活塞20借助于適當(dāng)?shù)臋C(jī)械連桿機(jī)構(gòu)28連接至從動(dòng)元件32〇
[0023]膨脹空間16和壓縮空間18經(jīng)由工作氣體流動(dòng)通路連接在一起，該工作氣體流動(dòng)通路通常包括再生器34、傳導(dǎo)通道35和可變閥40,以形成外部熱交換器環(huán)路。
[0024]圖1的機(jī)器通過從熱源36向相關(guān)的膨脹空間16施加熱并通過借助于熱交換器或散熱器38從冷空間將熱移除而作為發(fā)動(dòng)機(jī)或馬達(dá)操作。
[0025]本發(fā)明特別地涉及一種在圖1中以附圖標(biāo)記40示意性示出的能快速作用和反應(yīng)的可變閥或阻尼裝置，該可變閥或阻尼裝置被有效地定位成控制外部熱交換器環(huán)路中的氣體流動(dòng)，該環(huán)路是被經(jīng)由再生器34將膨脹空間16連接至壓縮空間18的工作氣體橫穿的通道。在圖2和圖3中闡述了合適的阻尼裝置的優(yōu)選實(shí)施方式。通過這種機(jī)構(gòu)，可以增大熱交換器環(huán)路中的流動(dòng)阻力，并由此減少氣體熱傳遞，并且還導(dǎo)致流動(dòng)損失。結(jié)果是減小了功率。對于簡單的手動(dòng)功率調(diào)節(jié)來說可以手動(dòng)操作所述閥。
[0026]在運(yùn)動(dòng)型發(fā)動(dòng)機(jī)中負(fù)載功率需求減少或不足的結(jié)果是操作速度的增大。因而，本發(fā)明的構(gòu)思的一個(gè)重要應(yīng)用是，通過感測發(fā)動(dòng)機(jī)速度并響應(yīng)于速度增大高于選定的最大極限而增大流動(dòng)阻力來防止發(fā)動(dòng)機(jī)的這種過速。
[0027]在優(yōu)選實(shí)施方式的正常發(fā)動(dòng)機(jī)操作條件下，阻尼機(jī)構(gòu)并不致動(dòng)，因此工作氣體流動(dòng)完全不受阻擋，并且能夠穿過熱交換器環(huán)路來回流動(dòng)。加熱器-再生器-冷卻器環(huán)路中的流動(dòng)損失保持最小。然而，當(dāng)產(chǎn)生過速條件時(shí)，其被對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說普遍可用的合適的速度傳感器檢測到，并且阻尼器被啟動(dòng)。因而，發(fā)動(dòng)機(jī)在其超過不期望的潛在損壞速度之前就受到限制。
[0028]通常以每單位時(shí)間轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)的速度可以通過當(dāng)前市場上可獲得的任何一種轉(zhuǎn)速計(jì)類型的裝置來檢測。來自速度傳感器41的輸出被簡單地施加至閥控制裝置42,以響應(yīng)于增大的速度高于選定極限而增大流動(dòng)阻力。優(yōu)選地，流動(dòng)阻力作為增大的速度或行程的連續(xù)函數(shù)而增大，并且作為減小的速度或行程的連續(xù)函數(shù)而減小。
[0029]圖2和圖3闡述了本發(fā)明的特別優(yōu)選的實(shí)施方式。諸如在圖1中附圖標(biāo)記40處看到的閥裝置包括帶槽的環(huán)50,該環(huán)50包括多個(gè)在圓周方向上等間距地間隔開的阻尼凹槽52。環(huán)50同軸地定位在位于冷卻器鑄件56內(nèi)并且位于內(nèi)圓周表面58外的工作氣體流動(dòng)通路54中。凹槽結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)成使得阻尼凹槽52與多個(gè)冷卻器通路60形成對應(yīng)的一對一關(guān)系，所述冷卻器通路60與相鄰的通路60分離開同等數(shù)量的流動(dòng)通路54中的冷卻器凹槽62。
[0030]在正常操作過程中，冷卻器通路60和阻尼凹槽52對準(zhǔn)，使得所述凹槽對于流過通路54中的冷卻器通路60的流體來說不產(chǎn)生任何阻擋，因而沒有發(fā)生任何阻尼。然而，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)以過速或過行程模式操作時(shí)，環(huán)50由控制傳感器(沒有示出)通過環(huán)齒輪段64和控制小齒輪66的致動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，從而所述凹槽將冷卻器通路覆蓋至必要程度，以將流過的流量阻擋到期望的量。因而，流動(dòng)損失將上升，并且發(fā)動(dòng)機(jī)功率和速度/行程將降低對應(yīng)的量。 更優(yōu)選的是，具有凹槽52的阻尼環(huán)50和冷卻器通路60應(yīng)該被設(shè)計(jì)成使得當(dāng)阻尼器完全被致動(dòng)時(shí)，g卩，將每個(gè)通路60完全阻擋時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)將完全停止。阻尼環(huán)的精確旋轉(zhuǎn)通過合適的速度傳感器裝置(例如，本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的飛球或電動(dòng)軸轉(zhuǎn)速傳感器系統(tǒng))手動(dòng)或自動(dòng)地控制。
[0031]圖3示出了用于定位阻尼環(huán)的一個(gè)優(yōu)選位置。環(huán)50被定位成阻擋冷空間18處的流動(dòng)通路54和作為內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)流動(dòng)循環(huán)的最冷點(diǎn)的壓縮端口 80。動(dòng)力活塞20和驅(qū)氣活塞 24均限定與端口 80相鄰的壓縮空間18。阻尼環(huán)50通過控制器82的運(yùn)動(dòng)來控制，該控制器82連接至合適的內(nèi)部或外部速度傳感器(沒有示出)，以形成調(diào)控器。
[0032]除了其防止過速的模式外，本發(fā)明還可以用作傳統(tǒng)的反饋環(huán)路中的調(diào)控器。例如， 閥可以被構(gòu)造成具有用于穿過流動(dòng)通路的工作氣體的流動(dòng)阻力的中間閥。針對正常的標(biāo)稱負(fù)荷選擇流動(dòng)阻力?？梢詫⒑线m的速度檢測機(jī)構(gòu)(例如，飛球調(diào)控器的飛球機(jī)構(gòu)或電子速度檢測器)可以聯(lián)接或連接至所述閥，并且設(shè)置在期望設(shè)定點(diǎn)速度，在該設(shè)定點(diǎn)速度下，在中間流動(dòng)阻力和負(fù)載需要的功率之間建立平衡狀態(tài)。速度增大導(dǎo)致進(jìn)一步的限制，因而，導(dǎo)致閥的流動(dòng)阻力增大，同時(shí)速度降低還具有相反作用。
[0033]盡管已經(jīng)詳細(xì)地公開了本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施方式，但是應(yīng)該理解，在不脫離本發(fā)明的精神或所附權(quán)利要求的范圍的情況下可以采取各種變型。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于控制斯特林型機(jī)器的功率的設(shè)備，該斯特林型機(jī)器具有借助于工作氣體所 流過的流動(dòng)通路相連的獨(dú)立的膨脹空間和壓縮空間，所述設(shè)備包括:可變閥裝置，該可變閥裝置位于所述工作氣體的所述流動(dòng)通路中，以在機(jī)器操作過程 中連續(xù)地調(diào)節(jié)所述工作氣體的所述流動(dòng)通路的流動(dòng)阻力；以及感測裝置，該感測裝置用于控制所述可變閥裝置以響應(yīng)于操作速度增大到超過選定的 操作極限而增大所述流動(dòng)阻力。2.—種用于控制斯特林型機(jī)器的功率的設(shè)備，該斯特林型機(jī)器具有借助于工作氣體所 流過的流動(dòng)通路相連的獨(dú)立的膨脹空間和壓縮空間，所述設(shè)備包括:可變閥裝置，該可變閥裝置位于所述工作氣體的所述流動(dòng)通路中，以在機(jī)器操作過程 中連續(xù)地調(diào)節(jié)所述工作氣體的所述流動(dòng)通路的流動(dòng)阻力；以及感測裝置，該感測裝置用于控制所述可變閥裝置以響應(yīng)于操作行程增大到超過選定的 操作極限而增大所述流動(dòng)阻力。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其中，所述可變閥裝置包括具有多個(gè)間隔開的端口 的可旋轉(zhuǎn)阻尼環(huán)，所述可旋轉(zhuǎn)阻尼環(huán)座靠在具有多個(gè)匹配地布置的間隔開的端口的圓形座 上，以改變所述端口的重合配準(zhǔn)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，所述可旋轉(zhuǎn)阻尼環(huán)連接至桿，該桿適合于響應(yīng)于 機(jī)器操作參數(shù)來轉(zhuǎn)動(dòng)所述可旋轉(zhuǎn)阻尼環(huán)并改變所述工作氣體的所述流動(dòng)通路的所述流動(dòng) 阻力。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述設(shè)備，其中，所述感測裝置是用于檢測發(fā)動(dòng)機(jī)速度的飛球調(diào)控 器機(jī)構(gòu)。6.—種用于控制來自斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率的方法，所述斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)具有膨脹空 間和壓縮空間，所述膨脹空間和所述壓縮空間容納工作氣體并且借助于通常包括再生器的 工作氣體流動(dòng)通路連接在一起，所述方法包括:通過連續(xù)地增大穿過所述工作氣體流動(dòng)通路的流動(dòng)阻力來減小所述輸出功率。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，該方法進(jìn)一步包括:感測發(fā)動(dòng)機(jī)速度并響應(yīng)于增大的 速度高于選定的極限而增大所述流動(dòng)阻力。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，該方法進(jìn)一步包括:感測發(fā)動(dòng)機(jī)行程并響應(yīng)于增大的 行程高于選定的極限而增大所述流動(dòng)阻力。9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述流動(dòng)阻力作為增大的速度、行程或功率的連 續(xù)函數(shù)而增大，并且所述流動(dòng)阻力作為減小的速度、行程或功率的連續(xù)函數(shù)而減小。10.—種用于控制來自斯特林型機(jī)器的功率的方法，所述斯特林型機(jī)器具有膨脹空間 和壓縮空間，所述膨脹空間和所述壓縮空間容納工作氣體并且借助于通常包括再生器的工 作氣體流動(dòng)通路連接在一起，所述方法包括:通過增大穿過所述工作氣體流動(dòng)通路的流動(dòng)阻力以降低輸出和減小所述流動(dòng)阻力以 增大輸出來對輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)。
【文檔編號】F02G1/05GK105986925SQ201510062426
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月5日
【發(fā)明人】C·J·查戈努特
【申請人】株式會(huì)社斯特靈引擎, 斯特靈科技公司