用于控制斯特林型机器或发动机的功率的设备和方法
【专利摘要】本发明涉及用于控制斯特林型机器或发动机的功率的设备和方法。本发明设置阀装置来控制将驱气活塞气缸的热端和冷端相连的气体流动通路内的工作气体流动；所述阀装置受到合适的发动机速度、行程或功率检测器的控制。
【专利说明】
用于控制斯特林型机器或发动机的功率的设备和方法
技术领域
[0001]本发明涉及用于连续控制各种斯特林型机器的速度、行程或功率的设备和相关的方法，更具体地说，涉及利用定位在连接压缩空间和膨胀空间的工作气体流动通路中的可变阀装置的设备和方法。操作模式涉及手工地或与感测装置相结合地连续调节在流动通路中来回流动的工作气体，以控制速度、行程或功率，其中，感测装置检测机器的操作参数并控制阀装置以连续地调节工作气体流动。【背景技术】
[0002]利用来自太阳能收集器、聚能器等的能量以及燃烧廉价废品的经济可行性的增加，已经增大了将斯特林发动机作为将热能直接转换成机械能的机器的吸引力。
[0003]斯特林发动机已经公知多年，并且依赖限制在工作空间中的大量工作流体的压力变化来工作。这些压力变化是由工作流体的交替加热和冷却引起的，该工作流体受到在工作空间的连通的膨胀(热)空间部分和压缩(冷)空间部分之间的活塞运动的强制。
[0004]斯特林发动机的一个具体问题是，当它们没有加载或欠载时，发动机可能过速，结果直接损坏发动机并缩短发动机寿命。由于与加热器相关的热惯性非常大，不可能简单地通过控制燃料的燃烧率来响应外部负荷的快速变化。
[0005]现有技术已经利用各种方法来试图增强斯特林发动机响应外部负荷的快速变化的能力。一个有效的功率调节器是位于压缩空间和回跳空间之间的可调节排气口。然而， 这种尝试的解决方案需要常闭的压力型阀。
[0006]另一个尝试是改变工作气体填充压力，这种填充压力如果快速进行则发动机关键部件上施加大的压力。这种压力调节技术在大气压力下容易过速，即使所有填充压力被释放也是如此。另一个缺点是过长的填充压力恢复时间，从而高达大约10分钟都不能再次达到全功率。
[0007]美国专利N0.3, 724, 206公开了一种用于闭合循环驱气活塞型的热气发动机的速度控制调节器，该调节器包括:单独加热装置，该单独加热装置位于再生装置和驱气活塞气缸的热端之间；通道，该通道通过从所述再生装置直接通到驱气活塞气缸的热端而绕过加热装置；外部控制的可变阀，该可变阀确定工作流体在被传送到驱气活塞气缸的热端时将绕过加热装置的部分(如果有的话)；以及非可变阀，该非可变阀允许工作流体在从驱气活塞气缸的热端传送出来时全部绕过加热装置。
[0008]另一个系统是给分开的储存器设置阀控制的排气口，以降低发动机效率并因此减少发动机功率。美国专利N0.3, 756, 018公开了一种装置，该装置在连接至发动机气缸的较低温度部分的每个气缸中在较高温度位置改变多腔室存储器中的气态工作介质的平均压力，其中阀调节装置控制发动机气缸的可变阶段和冷却部分的气体压力的随动。
[0009]美国专利N0.2, 547, 781公开了一种热气体发动机，该发动机具有:工作腔室；包括不同腔室的控制系统；以及装置，该装置包括可变流动阻力循环孔口，该孔口总是打开以将不同腔室连接至工作腔室；用于改变流动阻力循环孔口的阀装置；以及用于操作阀装置的致动装置，所述致动装置响应于发动机的速度。
[0010]美国专利 N0.228, 716、N0.1，895, 082、N0.3, 220, 178、N0.4, 019, 322 和 N0.4, 622, 813也是涉及气门发动机技术的相关示例。
【发明内容】
[0011]因而，本发明的目的是提供一种改进类型的斯特林机器，该机器能够快速、简单、 有效地对其操作进行控制。本发明的另一个目的提供一种能够容易有效地调节机器的输出以与负荷要求匹配的斯特林机器。
[0012]本发明的又一个目的是提供一种可变阻尼阀，该可变阻尼阀位于机器的热交换器环路中，用于限制其中的流动以降低热传递和功率能力，并且用于导致热交换器环路中发生流动损失以减少可用功率。
[0013]通过进一步研究说明书和所附权利要求，本发明的其他目的和优点对本领域技术人员来说将变得清楚。
[0014]本发明涉及一种用于各种斯特林机器的控制阻尼机构，该控制阻尼机构能够以特别有效的方式连续地控制所述机器的操作。斯特林机器既包含膨胀空间，又包含压缩空间， 膨胀空间和压缩空间借助于通常含有加热器、再生器和冷却器的流动通路相连。机器的活塞的运动强制气体穿过该连接用流动通路来回振荡。
[0015]本发明涉及在工作气体流动通路中有效地定位可变阀装置，诸如可旋转阻尼环， 该可旋转阻尼环具有多个槽和敞开流体通道装置，它们被布置成与各种分开的更小流动区段形成一对一的对应，在优选实施方式中，所述更小流动区段包括所述工作气体流动通路。 这样得到的阀装置通过改变可用流动面积来调控振荡的工作气体流动，并且其运动和所得到的装置受到来自发动机速度、行程或功率检测器的反馈来控制。检测器根据机器的操作参数连续地控制所述阀装置的流动阻力，从而减小过高的速、行程或功率。增大流动阻力是为了减小功率。在这种方式中，所得到的阻尼系统操作而确保机器永远不会超过不安全的或不期望的速度、行程或功率。【附图说明】
[0016]图1是适合于利用本发明的阻尼阀系统的自由活塞斯特林发动机的图解视图，该阻尼阀系统控制穿过热空间-再生器-冷空间内燃机通路的流动。
[0017]图2是在工作气体流动通道的截面中居中的阻尼环的横截面图，在所述通道中阻尼环或者阻挡气体通过或允许气体通过。
[0018]图3公开了本发明的优选实施方式，该实施方式涉及带槽的环的冷空间(slotted ring cold space)的优选位置。
[0019]在描述附图中示出的本发明的优选实施方式时，为了清楚起见将采取具体的术语。然而，并不是为了将本发明限制于这样选择的特定术语，并且应该理解的是，每个特定术语包括以类似方式操作以完成类似目的的所有技术等同物。例如，经常使用措辞“连接” 或类似的术语。它们不限于直接连接，而是包括通过其他元件的连接，其中本领域技术人员可将这种连接认识为等同物。【具体实施方式】
[0020]首先，需要强调的是，这里公开的具体功率控制装置适合于所有类型的斯特林机器，无论是斯特林发动机还是斯特林冷却器，包括曲柄型、自由活塞型、林邦型、多气缸型等。因而，附图中所示的【具体实施方式】应该看成仅仅是示例性的。
[0021]图1示出了具有壳体10的斯特林型发动机，该壳体10围绕工作空间12。工作空间12被进一步细分成膨胀空间16和压缩空间18。这些空间填充或装填有适合于在斯特林机器中使用的加压气体，例如空气或氢气。动力活塞20可往复运动地安装在动力活塞气缸22中。具有相对较小质量但是具有相当容积并具有密封件25的驱气活塞24可在形成在工作空间12中的驱气活塞气缸26中往复滑动。
[0022]驱气活塞杆28接合驱气活塞24,并且可滑动地轴向延伸穿过轴承30,所述轴承30 被形成为轴向穿过动力活塞20。动力活塞20借助于适当的机械连杆机构28连接至从动元件32〇
[0023]膨胀空间16和压缩空间18经由工作气体流动通路连接在一起，该工作气体流动通路通常包括再生器34、传导通道35和可变阀40,以形成外部热交换器环路。
[0024]图1的机器通过从热源36向相关的膨胀空间16施加热并通过借助于热交换器或散热器38从冷空间将热移除而作为发动机或马达操作。
[0025]本发明特别地涉及一种在图1中以附图标记40示意性示出的能快速作用和反应的可变阀或阻尼装置，该可变阀或阻尼装置被有效地定位成控制外部热交换器环路中的气体流动，该环路是被经由再生器34将膨胀空间16连接至压缩空间18的工作气体横穿的通道。在图2和图3中阐述了合适的阻尼装置的优选实施方式。通过这种机构，可以增大热交换器环路中的流动阻力，并由此减少气体热传递，并且还导致流动损失。结果是减小了功率。对于简单的手动功率调节来说可以手动操作所述阀。
[0026]在运动型发动机中负载功率需求减少或不足的结果是操作速度的增大。因而，本发明的构思的一个重要应用是，通过感测发动机速度并响应于速度增大高于选定的最大极限而增大流动阻力来防止发动机的这种过速。
[0027]在优选实施方式的正常发动机操作条件下，阻尼机构并不致动，因此工作气体流动完全不受阻挡，并且能够穿过热交换器环路来回流动。加热器-再生器-冷却器环路中的流动损失保持最小。然而，当产生过速条件时，其被对本领域技术人员来说普遍可用的合适的速度传感器检测到，并且阻尼器被启动。因而，发动机在其超过不期望的潜在损坏速度之前就受到限制。
[0028]通常以每单位时间转数计的速度可以通过当前市场上可获得的任何一种转速计类型的装置来检测。来自速度传感器41的输出被简单地施加至阀控制装置42,以响应于增大的速度高于选定极限而增大流动阻力。优选地，流动阻力作为增大的速度或行程的连续函数而增大，并且作为减小的速度或行程的连续函数而减小。
[0029]图2和图3阐述了本发明的特别优选的实施方式。诸如在图1中附图标记40处看到的阀装置包括带槽的环50,该环50包括多个在圆周方向上等间距地间隔开的阻尼凹槽52。环50同轴地定位在位于冷却器铸件56内并且位于内圆周表面58外的工作气体流动通路54中。凹槽结构被设计成使得阻尼凹槽52与多个冷却器通路60形成对应的一对一关系，所述冷却器通路60与相邻的通路60分离开同等数量的流动通路54中的冷却器凹槽62。
[0030]在正常操作过程中，冷却器通路60和阻尼凹槽52对准，使得所述凹槽对于流过通路54中的冷却器通路60的流体来说不产生任何阻挡，因而没有发生任何阻尼。然而，当发动机以过速或过行程模式操作时，环50由控制传感器(没有示出)通过环齿轮段64和控制小齿轮66的致动而转动，从而所述凹槽将冷却器通路覆盖至必要程度，以将流过的流量阻挡到期望的量。因而，流动损失将上升，并且发动机功率和速度/行程将降低对应的量。 更优选的是，具有凹槽52的阻尼环50和冷却器通路60应该被设计成使得当阻尼器完全被致动时，g卩，将每个通路60完全阻挡时，发动机将完全停止。阻尼环的精确旋转通过合适的速度传感器装置(例如，本领域技术人员已知的飞球或电动轴转速传感器系统)手动或自动地控制。
[0031]图3示出了用于定位阻尼环的一个优选位置。环50被定位成阻挡冷空间18处的流动通路54和作为内燃发动机流动循环的最冷点的压缩端口 80。动力活塞20和驱气活塞 24均限定与端口 80相邻的压缩空间18。阻尼环50通过控制器82的运动来控制，该控制器82连接至合适的内部或外部速度传感器(没有示出)，以形成调控器。
[0032]除了其防止过速的模式外，本发明还可以用作传统的反馈环路中的调控器。例如， 阀可以被构造成具有用于穿过流动通路的工作气体的流动阻力的中间阀。针对正常的标称负荷选择流动阻力。可以将合适的速度检测机构(例如，飞球调控器的飞球机构或电子速度检测器)可以联接或连接至所述阀，并且设置在期望设定点速度，在该设定点速度下，在中间流动阻力和负载需要的功率之间建立平衡状态。速度增大导致进一步的限制，因而，导致阀的流动阻力增大，同时速度降低还具有相反作用。
[0033]尽管已经详细地公开了本发明的一些优选实施方式，但是应该理解，在不脱离本发明的精神或所附权利要求的范围的情况下可以采取各种变型。
【主权项】
1.一种用于控制斯特林型机器的功率的设备，该斯特林型机器具有借助于工作气体所 流过的流动通路相连的独立的膨胀空间和压缩空间，所述设备包括:可变阀装置，该可变阀装置位于所述工作气体的所述流动通路中，以在机器操作过程 中连续地调节所述工作气体的所述流动通路的流动阻力；以及感测装置，该感测装置用于控制所述可变阀装置以响应于操作速度增大到超过选定的 操作极限而增大所述流动阻力。2.—种用于控制斯特林型机器的功率的设备，该斯特林型机器具有借助于工作气体所 流过的流动通路相连的独立的膨胀空间和压缩空间，所述设备包括:可变阀装置，该可变阀装置位于所述工作气体的所述流动通路中，以在机器操作过程 中连续地调节所述工作气体的所述流动通路的流动阻力；以及感测装置，该感测装置用于控制所述可变阀装置以响应于操作行程增大到超过选定的 操作极限而增大所述流动阻力。3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述可变阀装置包括具有多个间隔开的端口 的可旋转阻尼环，所述可旋转阻尼环座靠在具有多个匹配地布置的间隔开的端口的圆形座 上，以改变所述端口的重合配准。4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述可旋转阻尼环连接至杆，该杆适合于响应于 机器操作参数来转动所述可旋转阻尼环并改变所述工作气体的所述流动通路的所述流动 阻力。5.根据权利要求1所述设备，其中，所述感测装置是用于检测发动机速度的飞球调控 器机构。6.—种用于控制来自斯特林发动机的输出功率的方法，所述斯特林发动机具有膨胀空 间和压缩空间，所述膨胀空间和所述压缩空间容纳工作气体并且借助于通常包括再生器的 工作气体流动通路连接在一起，所述方法包括:通过连续地增大穿过所述工作气体流动通路的流动阻力来减小所述输出功率。7.根据权利要求6所述的方法，该方法进一步包括:感测发动机速度并响应于增大的 速度高于选定的极限而增大所述流动阻力。8.根据权利要求6所述的方法，该方法进一步包括:感测发动机行程并响应于增大的 行程高于选定的极限而增大所述流动阻力。9.根据权利要求6所述的方法，其中，所述流动阻力作为增大的速度、行程或功率的连 续函数而增大，并且所述流动阻力作为减小的速度、行程或功率的连续函数而减小。10.—种用于控制来自斯特林型机器的功率的方法，所述斯特林型机器具有膨胀空间 和压缩空间，所述膨胀空间和所述压缩空间容纳工作气体并且借助于通常包括再生器的工 作气体流动通路连接在一起，所述方法包括:通过增大穿过所述工作气体流动通路的流动阻力以降低输出和减小所述流动阻力以 增大输出来对输出进行调节。
【文档编号】F02G1/05GK105986925SQ201510062426
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月5日
【发明人】C·J·查戈努特
【申请人】株式会社斯特灵引擎, 斯特灵科技公司