专利名称：谐振发电系统的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及谐振发电系统，包括发电的谐振系统或结构、以及驱动该谐振结构的脉动燃烧装置。
背景技术：
在机械构造中正发生着革命性的改变，其中产生动力功但不进行计算的经典机械与只进行计算的经典系统正结合而形成以日趋自动化的方式执行经过计算的功的系统。交通工具、军事系统、自动机械、对合成环境的接口、消费产品、以及其它信息驱动的移动机械，都是利用数字控制以增加性能和灵活性的系统的示例，所述系统在闭合回路中运行日益增多的致动器和传感器。为保持这些新型机械的改进速度，需要平衡发展致动器、传感器和计算机、以及用于制造它们的材料、结构和工艺。
一个几乎没有受到关注的困难问题是致动的问题，尤其当使用具有大的位移和效力性能的紧凑集成高功率密度致动器时。所述困难在于这样的事实，集成致动系统的设计是一个复杂的问题，其需要同时满足多个不一致的约束。实际上，当将致动器看成子系统时，明显地，对于形成集成致动子系统的三个基本要素，即1)能源；2)能量调节系统；以及3)输出装置，需要改进的或全新的方法。
例如，在智能材料致动器的情况中，如压电或磁致伸缩致动器，效率、紧凑能源、功率调节电子仪器以及运动放大机械的要求，使可达到的系统水平的功率密度(力-位移-带宽密度)显著小于人们通过只单独研究智能材料的固有功率密度而确信的功率密度。
发明内容
已被认识到的是，发展能源或发电系统将是有利的。另外，已被认识到的是，发展高效紧凑的发电系统将是有利的。
本发明提供一种谐振发电系统，其包括谐振器、能源、以及发电机。谐振器在谐振元件中提供谐振移动。能源可操作地连接谐振系统以保持谐振元件的谐振移动。发电机可操作地连接谐振系统并受其驱动，以根据谐振移动产生电功率。
根据本发明的一个方面，谐振器可以包括谐振结构，如质块和弹簧。弹性元件的一端可连接底座，其另一端可连接质块。
根据本发明的另一方面，能源可以包括脉动燃烧装置。能源或脉动燃烧装置可包括具有混合室和排气孔的长燃烧管。燃料源可连接燃烧管的混合室，以给燃烧管提供燃料。可在燃烧管中安装点火器以点燃燃料。
根据本发明的又一方面，可通过活塞/汽缸装置使燃烧管连接谐振器。汽缸可连接燃烧管的排气孔，而活塞可以可往复移动地安装于汽缸中，并由排出气体驱动。推杆可连接在活塞和谐振器之间，以将活塞的移动传递给谐振器。
根据本发明的另一方面，燃烧管可配置为相应于谐振器的谐振频率产生排出排气孔的脉动燃烧气体。
根据本发明的另一方面，发电机可以包括磁铁和线圈。其一连接谐振器，配置为用于沿移动路径的谐振移动，其另一邻近移动路径安装。这样，磁铁和线圈可相对于彼此可移动地安装，从而，磁铁的磁场可以在线圈中感应电流。
下文的详细描述将结合附图给出本发明的其它特征和优点，所述附图通过示例一起说明本发明的特征。
图1是根据本发明的谐振发电系统的示意图；图2是根据本发明的谐振发电系统的能源的示意图；
图3是图2的能源的运行示意图；图4是根据本发明的谐振发电系统的谐振器的侧视图；图5是图4的谐振器的端视图；图6是根据本发明的具有不同直径的燃烧管的阵列的端视图；以及图7是根据本发明的具有不同长度的燃烧管的阵列的截面图。
具体实施例方式
为增进对本发明原理的理解，这里将参考附图示出的示例性的实施例，并对该实施例进行详细描述。但是应该理解，并不是为了由此限制本发明的范围。相关领域的得到本公开文本的技术人员可能进行的任何对本文说明的发明特征的变化和进一步修改、任何对本文说明的发明原理的其它应用都将被认为在本发明的范围内。
图1示出了根据本发明的用于发电的谐振发电系统，一般以10标示。发电是可以受益于该系统10的使用的范围中的一例。可将该系统10或从中产生的电用于上述紧凑、集成、高功率密度致动器。谐振发电系统10包括谐振器14、能源18、以及发电机22。
谐振器14在谐振元件中提供谐振移动。在2000年7月28日提交的美国专利申请09/627,852中公开了谐振结构的一些方面，其在此引入作为参考。谐振器14，或谐振结构，可以包括质块和弹性元件，它们在动能和势能状态之间、或最大和最小动能和势能之间交替。该谐振结构可以在很长一段时间内或者连续地以如摩擦力等的最小损耗进行谐振或振荡。另外，谐振器损耗到达发电机的能量。
谐振器14、或谐振结构，包括移动主体、具有质量为m的组件、元件或质块26。谐振器14或质块26如箭头38所指示的，沿移动路径往复谐振或振荡。谐振器14或谐振结构还包括能量存储和释放系统，例如弹性元件42或悬臂梁。弹性元件42折曲或弯曲以存储和释放能量。从而，质块26和弹性元件42形成谐振器14或谐振结构，其进行谐振或振荡38。当谐振器14或质块26往复振荡时，其在运动的最左范围从具有最大势能(和最小动能)的位置开始移动，当其通过运动的中间范围时，其通过具有最大动能(和最小势能)的位置，在运动的最右范围到达具有最大势能(和最小动能)的位置。
谐振器14或谐振结构可以在很长一段时间内或者连续地以最小损耗进行谐振或振荡。这种谐振结构通常会受到如摩擦力等的损耗，其最终使谐振结构停止谐振。从而，一般以18标示的能源可操作地连接谐振器，以保持谐振或振荡运动。能源18在谐振器14或质块26上施力以保持谐振。
参考图2，能源18可以包括脉动线性燃烧器46，以便为致动提供热气，或为谐振器14提供驱动力。能源18或脉动线性燃烧器46可以包括具有混合室54和排气孔58的长燃烧管50。燃料源可以连接管50或混合室54，并且可以包括燃料源64和氧化剂源68。燃料源，或者燃料和氧化剂，给燃烧管50提供燃料。在燃烧管50中安装点火器72以点燃燃料。
在1999年11月12日提交的美国专利申请09/439,473中公开了脉动线性燃烧器的一些方面，其在此引入作为参考。燃料源64，和/或氧化剂源68，可以包括用于容纳燃料和氧化剂的储蓄器或容器，和连接在容器和燃烧管50之间的、用于给燃烧管输送燃料的燃料输送线。阀门76可安装在燃料源和燃烧管50之间或者连接燃料输送线，以控制燃料或氧化剂的流量。在操作中，脉动线性燃烧器46通过燃料输送线将燃料从燃料源输送到燃烧管50。选定燃料和/或氧化剂使其不发生燃烧，直到它们在管50或混合室54中变成混合燃料。
参考图3，管50将逐渐充满混合燃料，所述燃料从靠近混合室54的入口端填充到排气孔58。混合燃料将不被点燃，直到管50基本装满并且混合燃料到达点火器72。一旦由点火器72点燃，混合燃料不能瞬间完全燃烧。可以选择燃烧器46的参数，使混合燃料首先在点火器72的靠近点火点处燃烧，随后，通过管50往回燃烧混合燃料，直到燃烧到达熄火端。一旦到达熄火端，由于选定未混合燃料不发生燃烧直到在它们混合之后为止，因此，一旦燃烧过程已燃尽管50中的全部混合燃料，燃烧过程将在熄火端自熄。其间，当混合燃料正在燃烧时，来自燃烧过程的膨胀的废气将被推出管50，以便致动可致动的物体，如下所述，或者保持谐振器14的谐振。
另外，参考图6，可以使用燃烧管50的阵列77，所述管可具有相同或多种直径，以允许产生所谓的点火分布(profile)。通过控制对阵列77中各管50的点火、燃料的流动速率、以及改变点火的顺序时间，可以产生点火分布。例如，一种点火分布可以为，只在位于阵列的外围的管中点火或点燃。另一种分布可以为，首先点燃外围的管，然后向阵列中心顺序点燃下一个靠里的外围层的管，并且继续点燃逐层直至到达中心管。可以设想多种组合，例如只同时点燃顶部，或者只点燃最大直径的管。另外，参考图7，在阵列79中可以使用可变长度的管78。从而，通过不仅使用不同直径的管，还使用不同长度的管，或者两种变量的组合，可以实现不同的点火分布。因此，通过控制具有各种长度和直径的各种阵列设计的点火分布，可以实现不同的压力或声波序列。可选定点火分布以保持希望的谐振结构或谐振器的谐振。
参考图4和5，发电机22可以可操作地连接谐振器14并受其驱动，以根据谐振移动产生电功率。发电机22可包括相对于彼此可移动地安装的磁铁80和线圈84，从而，磁铁80的磁场可以在线圈84中感应电流，所述发电机可按照所需应用，如用于微型机械系统中。线圈84可连接谐振器14，并配置为用于随质块沿移动路径的谐振移动。线圈84可连接弹性元件或悬臂梁42，并可以形成或帮助形成质块26。磁铁80能够以希望用于电磁相互作用的距离邻近线圈84的移动路径安装。当然应该理解，磁铁80和线圈84的位置可以互换，使磁铁安装于谐振器上，并使线圈邻近磁铁的移动路径安装。导线86可连接在线圈84和输出装置之间，以将系统10电连接到希望的输出装置。输出装置可以包括各种电子仪器以进一步调节系统10的电输出。
再参考图1，能源18或脉动线性燃烧器46能够可操作地连接谐振器14。活塞/汽缸装置88可连接燃烧管50以接收从中排出的气体。活塞/汽缸装置88可以包括连接燃烧管50的汽缸90，和安装于汽缸90中的可移动或往复移动的活塞94。如上所述，当混合燃料正在燃烧时，来自燃烧过程的膨胀的废气将被推出管50并进入汽缸90，从而增大汽缸90中的压力。汽缸90的增压可用于驱动活塞94。在汽缸90中接收来自燃烧管50的废气或燃烧气体，其对活塞94施力，从而在汽缸90内移动活塞94。可在汽缸90中形成排气孔98，以便从汽缸90中排出废气或燃烧气体。可定位孔98，使得活塞94在一位置阻塞或覆盖孔98、但是在不同的第二位置露出孔98。从而，气体可将活塞94驱动到第二位置，然后从汽缸泄出，从而允许活塞94返回到第一位置。
推杆102可以连接在能源18和谐振器14之间。推杆可以连接活塞/汽缸装置88的活塞94，并连接谐振器14的弹性元件42或悬臂梁，以便将活塞94的移动传递给谐振器14。
另外，可以安置传感器106以检测谐振器14或质块26的谐振或振荡移动，并产生传感器信号。控制器110可以连接能源18，并可以响应传感器信号以控制能源18，从而保持或控制谐振的振幅和频率。如图2所示，控制器110可控制阀门76以控制脉动线性燃烧器46的运行。另外，可以使用控制器110实现特定的点火分布，如对点火器72的排序、以及通过排序阀门76使其适当地开和关来调节燃料进入各管的流量。控制器110可包括具有适当的可操作的程序的计算机、或者另一种电气或机械硬件。控制器110可在各组件之间提供反馈回路。
可以使用能源18或脉动线性燃烧器46产生脉动燃烧气体排出燃烧管50的排气孔54。燃烧管46可以配置为，以相应于谐振器14的谐振频率的速率产生气体。优选地，以在大约50Hz到2KHz之间的频率，能源14或燃烧器46产生气体，以及谐振器14谐振。
另外，可以在微型机械、或微型致动器中使用本发明的发电机10。从而，发电机10可以相对为小型。例如，燃烧管最好具有小于大约1100微米的直径。
如上所述，上述发电系统10可以用于紧凑、集成致动系统。另外，该能量系统10或紧凑集成致动系统可以引入源于生物系统的设计思想，并具有有机的体系结构，即，高度互连的传感器、致动器和控制器。
通过基于采用以并联和/或串联的组合安排的大量元件的体系结构，生物系统实现灵敏的特性，以通过内部特征实现希望的功能能力、以及反馈控制。这些系统使用多个配置为最大化效率并实现冗余的小元件。通过并联或串联地增加或补充元件，并通过调节各种元件作用的频率，来控制希望的比例输出。从而在源处调节功率，而不是通过如常规系统中的消耗性过程。合并小元件的带宽，以得到大元件的能力，而同时保持用于精密任务的灵敏性。生物系统还利用大的表面积对体积比，实现大的输送过程通量和带宽，而保持小的梯度。
因此，该紧凑集成致动系统可由模块化的能量系统10和输出装置组成，所述致动系统1)可被组合以便在高带宽下产生受控比例输出作用(如，大压力脉冲或高的热量产生)；2)允许调节在源处直接释放的能量，从而显著减少与第一阶段的能量转换相关的连续运行的损耗；3)使用与液体或气体燃料相关联的高能量密度，以实现高的容积和重量效率。
应该理解，谐振结构可以是任何形状，并可以具有任何种移动路径，如线形、圆形、转动式等。另外，如上所述的系统可以无谐振运行。这种无谐振运行可能效率更低，但是具有其它优点，如恒定位移。因此，如上所述的这种结构可以在非理想、无谐振条件下运行。
需要理解的是，上述装置只是对本发明特征的应用的示例性说明。在不偏离本发明精神和范围的情况下，本领域技术人员可以设计多种修改和替代装置，并且所附权利要求书旨在覆盖这些修改和替代装置。从而，尽管结合目前被确认为本发明的最实用和优选的实施例，特别和详尽地在附图和上述完整描述中示出了本发明，但是，对于本领域的技术人员将显而易见的是，在不偏离本发明权利要求书给出的原理和构思的前提下，可以进行多种修改、组合和应用，其中，所述修改包括，但不限于，尺寸、材料、形状、形式、功能以及运行方式的改变。
权利要求
1.一种谐振发电系统，包括a)谐振器，配置为在谐振元件中提供谐振移动；b)能源，可操作地连接谐振器，以支持谐振元件的谐振移动；以及c)发电机，可操作地连接谐振器并受其驱动，配置为根据谐振移动产生电功率。
2.根据权利要求1的系统，其中谐振器包括a)底座；b)弹性元件，其一端连接底座；以及c)质块，连接弹性元件的另一端，配置为用于相对于底座的谐振移动。
3.根据权利要求1的系统，其中能源包括a)长燃烧管，具有混合室和排气孔；b)燃料源，连接燃烧管的混合室，配置为给燃烧管提供燃料；以及c)点火器，位于燃烧管中，配置为点燃燃料。
4.根据权利要求3的系统，还包括a)汽缸，连接燃烧管的排气孔；b)活塞，可往复移动地安装于汽缸中；以及c)推杆，连接在活塞和谐振器之间，配置为将活塞的移动传递给谐振器。
5.根据权利要求3的系统，其中燃烧管配置为相应于谐振器的谐振频率产生排出排气孔的脉动燃烧气体。
6.根据权利要求3的系统，其中燃烧管具有小于大约1100微米的直径。
7.根据权利要求1的系统，其中发电机包括磁铁和线圈，其一连接谐振器，并配置为用于沿移动路径的谐振移动，其另一邻近移动路径的固定位置安装，磁铁和线圈相对于彼此可移动地安装，使得磁铁的磁场可以在线圈中感应电流。
8.根据权利要求1的系统，其中谐振器包括a)底座；b)弹性元件，其一端连接底座；以及c)质块，连接弹性元件的另一端，配置为用于相对于底座的谐振移动；以及其中能源包括d)长燃烧管，具有混合室和排气孔；e)燃料源，连接燃烧管的混合室，配置为给燃烧管提供燃料；以及f)点火器，安装于燃烧管中，配置为点燃燃料。
9.根据权利要求1的系统，其中谐振器以在大约50Hz到2KHz之间的频率谐振。
10.一种谐振发电系统，包括a)谐振系统，配置为在谐振元件中提供谐振移动；b)燃烧管，可操作地连接谐振系统，配置为产生脉动燃烧气体，以支持谐振系统的谐振移动；以及c)磁铁和线圈，其一连接谐振系统，配置为用于沿移动路径的谐振移动，其另一邻近移动路径的固定位置安装，磁铁和线圈相对于彼此可移动地安装，使得磁铁的磁场可以在线圈中感应电流。
11.根据权利要求10的装置，其中谐振系统包括a)底座；b)弹性元件，其一端连接底座；以及c)质块，连接弹性元件的另一端，配置为用于相对于底座的谐振移动。
12.根据权利要求10的装置，还包括a)汽缸，连接燃烧管的排气孔；b)活塞，可往复移动地安装于汽缸中；以及c)推杆，连接在活塞和谐振系统之间，配置为将活塞的移动传递给谐振系统。
13.根据权利要求10的装置，其中燃烧管配置为相应于谐振系统的谐振频率产生排出排气孔的脉动燃烧气体。
14.根据权利要求10的装置，其中谐振器以在大约50Hz到2KHz之间的频率谐振。
15.根据权利要求10的装置，其中燃烧管具有小于大约1100微米的直径。
16.一种发电系统，包括a)谐振结构，配置为用于谐振移动，该谐振结构包括1)底座；2)弹性元件，其一端连接底座；以及3)质块，连接弹性元件的另一端，配置为用于相对于底座的谐振移动；b)能源，可操作地连接谐振结构，以支持谐振移动，该能源包括1)长燃烧管，具有混合室和排气孔；2)燃料源，连接燃烧管的混合室，配置为给燃烧管提供燃料；以及3)点火器，安装于燃烧管中，配置为点燃燃料；以及c)发电机，可操作地连接谐振结构并受其驱动，配置为通过谐振移动发电。
17.根据权利要求16的系统，其中发电机包括磁铁和线圈，其一连接谐振结构，配置为用于沿移动路径的谐振移动，其另一邻近移动路径的固定位置安装，磁铁和线圈相对于彼此可移动地安装，从而磁铁的磁场可在线圈中感应电流。
18.根据权利要求16的系统，其中谐振器以在大约50Hz到2KHz之间的频率谐振。
19.根据权利要求16的系统，其中燃烧管具有小于大约1100微米的直径。
全文摘要
一种谐振发电系统(10)，包括谐振器(14)、能源(18)、以及发电机(22)。谐振器(14)在谐振元件中提供谐振移动。谐振器(14)可以包括质块(26)和弹性元件(42)。能源(18)可操作地连接谐振器(14)，以保持谐振元件的谐振移动。能源可以是脉动线性燃烧器(46)。发电机(22)可操作地连接谐振器(14)并受其驱动，以通过谐振移动产生电功率。
文档编号F04B19/00GK1639959SQ03804794
公开日2005年7月13日 申请日期2003年2月28日 优先权日2002年2月28日
发明者S·C·雅各布森 申请人:萨科斯公司