专利名称：斯特林型机械转速或功率控制的装置和方法
技术领域：
本发明涉及各种斯特林型机械的转速、冲程或功率的连续控制的装置和方法，特别涉及利用位于联接压缩空间和膨胀空间的工作气体流道内的可调节阀装置的装置和方法。运转模式包括利用手动或连接到信号传感装置，连续调节在流道内来回流动的工作气体，该信号传感装置用来检测机械的运转参数，控制这个可调节阀装置，以便连续调节工作气体流动，来控制转速、冲程或功率。
从太阳能收集器，聚能器以及诸如此类的装置，还有从燃烧廉价废弃物中利用能量，其经济可行性已得到提高，而这又提高了斯特林发动机作为将热能直接转换为机械能的一种机械的吸引力。
斯特林发动机问世已经几十年了，这种发动机的工作是依靠限定在工作空间内的工作流体的压力变化。这些压力变化是由于活塞的运动压迫交替冷热变化的工作流体而引起的，这些活塞位于工作空间的使膨胀(热)空间和压缩(冷)空间之间相连通的那些部分上。
斯特林发动机特殊的问题是当空负荷或部分负荷时，发动机可能超速运转，从而导致发动机很快损坏，缩短了发动机的寿命。由于非常大的热惯性是与加热器有关，因此不可能简单通过控制燃料的燃烧速率来响应外界负荷的迅速变化。
现有技术是利用各种方法来提高斯特林发动机响应外界负荷迅速变化的能力。一种有效的功率调节器是在压缩空间和缓冲空间之间安置可调节的孔。但是，这种方法要求常闭的压力型阀。
另一种解决方案是改变工作气体充气压力，但是，如果改变的很快，将使主要的发动机零部件承受很大的压力。这样的压力调节技术既使全部充气压力被释放，在大气压力下也易于超速。另外的一个缺点是过长的充气压力恢复时间，直到大约10分钟，还不能达到全部功率。
美国专利3，724，206披露了一种用于封闭循环置换器型热气体发动机的速度调节器，该发动机包括位于回热装置和置换器气缸的热端之间的一个隔开的加热装置，在加热装置旁路的通道直接将回热装置引导到置换器气缸的热端，一个外部控制的可变阀在工作气体(假如有的话)被传输到置换器气缸热端时，将决定工作气体的哪一部分走加热装置的旁路，而不可变换的阀在工作气体传送出置换器气缸之外时，允许所有的工作气体流经加热装置的旁路。
另一种系统有一个由阀控制的孔口通到一个隔开的容器，来降低发动机效率，因此，也就降低了发动机功率。美国专利3，756，018披露了在每一发动机气缸较高温度部分联接到带有阀调节装置的发动机气缸的较低温度部分，来改变在一个多室容器中气体工作介质的平均压力的装置，该阀调节装置调节在发动机气缸不同阶段中的和较冷部分气体的压力。
美国专利2，547，781披露了一种热气体发动机，它包括一个工作室;带有一个特别室的控制系统;一个总是开着的可变流动阻力循环小孔，以便使特殊室与工作室配合的装置;改变流动阻力循环小孔的阀装置;为操作阀装置的开动装置，开动装置响应于发动机的速度。
美国专利228，716;1，895，082;3，220，178;4，019，322和4，622，813都是包括有阀发动机技术的有关例子。
本发明的目的是提供一种斯特林机械的改进型，使其在操作控制方面迅速，简单、有效。本发明的另一个目的是提供一种斯特林机械，可以简单，有效地将该机械的动力输出与所要求的负荷相匹配。
本发明还有一个目的，是提供位于该机械的热交换器回路中的可变阻尼阀，用来限制气体流动，减小热的传输和功率容量，从而在热交换回路中引起流动损失，以便减小可用功率。
本专业的技术人员在研究了本发明的说明书和权利要求书后，将对本发明的其他目的和优点有更清楚的认识。
本发明涉及各种斯特林机械的一种控制阻尼机构，它可以特别有效的方式连续控制这种机械的运转。斯特林机械包括一个膨胀空间和一个压缩空间，两个空间由流道连接起来，流道一般包含一个加热器，一个回热器和一个冷却器。该机械的活塞运动迫使气体来回振荡通过连接通道。
本发明与在工作气体流道中有效控制可调节阀装置的位置有关，例如，一个有多个槽缝的可转动阻尼环和一个开口流动导管装置，以便各种隔开的较小的流动部分形成一一对应的联系(这些较小的流动部分在优选的实施例中包括工作气体流道)，使阀装置变化可利用的流通面积来调节振荡的工作气体流动，通过来自发动机转速，冲程或功率检测器的反馈信息，实现对阀装置及其动作的控制。测定器相应于机械运转参数连续控制阀装置的流动阻力，以便减低过高的转速，过大的冲程或功率。增加流动阻力以减小功率。以这种方式，使阻尼系统运转以保证这种机械在安全或要求的转速冲程或功率下运转。
图1是适合使用本发明的阻尼阀系统的自由活塞的斯特林发动机，阻尼阀系统控制着工作气体流过热空间一回热器一冷空间的发动机内部通道。
图2为同心放置在工作气体流道部分的阻尼器环的横截面图，阻尼器环可阻碍或者可允许气体通过。
图3为本发明的一个优选实施例，它包括图2所示缝环在孔口内紧靠冷室入口的优选位置。
在结合附图对本发明优选的实施例作描述时，为了清楚起见，将借助某些专门术语。然而，本发明并不被局限于这些选定的专门术语，应当理解，每一个专门术语包括所有以同样方式工作而达到同样目的的技术等同物。例如，“被联接”这一词或类似术语常被使用，它并不局限于直接联接，还包括通过其它部件的联接，只要这种联接在该技术领域内被认为是联接的等同物。
首先要强调，本发明的这种具体的动力控制装置可以用于各种类型的斯特林机械，不论是发动机或冷却器，这种机械包括曲柄，自由活塞，多个气缸和其他部件。因此，附图中显示的具体实施例仅仅是个例子。
图1是一种斯特林发动机的简图，该发动机有封闭工作空间12的壳体10。工作空间12进一步分成膨胀空间16和压缩空间18。这些空间填充或充入适于斯特林机械使用的，已经增压的气体，例如空气或氮气。可往复运动的动力活塞20安装在动力活塞气缸22中。置换器24的质量相对的小，但是容积相当大，并有密封装置25，置换器24可在工作空间12中形成的置换器气缸内作往复滑动。
置换器杆28与置换器24连接，该杆轴向延长，并可滑动地通过轴承30，该轴承由轴向通过动力活塞20而形成的。动力活塞20通过一个适当的机械连接装置28与一个从动元件32联接。
膨胀空间16和压缩空间18由一个工作气体流道联接在一起，该流道一般包括回热器34，导管通道35和可调节阀40，从而形成外部热交换回路。
图1所示的机械可以作为发动机或马达来运转，其方法是热的施加来自与膨胀空间16相关联的热源36，通过热交换器或受热器38将热从冷空间排出。
本发明特别涉及如图1中所示的快速作用和反作用的可调节阀或阻尼器装置40，该装置被置于有效的位置，来控制在外部热交换回路中的气体流动，通过回热器34，用于流过工作气体的通道将膨胀空间16和压缩空间18连接起来。图2和图3是有适当的阻尼器装置的一个优选实施例。通过这样的装置，可以增加在热交换器回路中流动阻力，因此减小了气体的热传导，从而导致气体流动减小。结果则是功率的减小。为了达到简单的手动功率调节，该阀也可手动操作。
对一台运转的发动机，通过负荷来减小功率或对功率需求降低，其结果是运转速度的增加。因此，本发明构思的一个重要的应用是通过检测发动机转速和增加流动阻力，来响应转速的增加超过选定的最大限度，防止发动机超速运转。
本优选实施例在发动机正常运转条件下，阻尼器机构并不动作，因此，工作气体的流动完全不受阻力，可以通过热交换器回路来回流动。在加热器-回热器-冷却器回路中的流动损失保持在最小值状态。当发生超速情况，是通过一个适当的转速传感器(对本领域的技术人员来说，这种传感器是很普通的)来检测的，然后阻尼器被开动，这样，在发动机到达一个不合需要的，可能有危害的转速之前，使其转速受到限制。
转速，即单位时间的转数，可用目前市场上可得到的任何种类的测速装置来检测。来自转速传感器41的输出信号直接作用于阀控制装置42，当增加的转速在所选限制之上时则增加流动阻力。流动阻力的增长最好作为增加的转速或冲程的连续函数，其减小量则作为减小的转速或冲程的连续函数。
图2和图3是本发明一个特殊的优选实施例。阀装置(如图1中的阀装置40)包括一个开缝环50，该环周围上有许多等距间隔的阻尼器槽52。环50同心安置在冷却器铸件56内和内环形表面58的外面的工作气体流道54中。槽是这样设计的，使得阻尼器槽52与许多冷却器通道60一一对应，冷却器通道60在流道54中由相同数量的冷却器槽62与相邻的通道60被分隔。
当发动机正常运转时，冷却器通道60和阻尼器槽52对正，因此，阻尼器槽52并不对在流道内流经冷却器通道的流体产生流动阻力，也就不发生阻尼状态的流动。但是，当发动机在超速或超冲程状态下运转，通过一个控制传感器(未画出)的作用驱动控制小齿轮66和阻尼环齿轮齿段64使环50转动，从而使槽复盖冷却器通道到这样的程度，既使流动产生阻碍，又能通过所需要的气体。由于流动损失增加，发动机功率和转速冲程将减小到一个相应的量。带有槽52的阻尼器环50和冷却器通道60最好这样设计，当阻尼器完全开动时(即每一个通道60都完全被阻碍)，发动机将完全停止运转。阻尼器环精确的转动，或由手动控制，或由适当的转速传感器装置自动控制，这种转速传感器装置都是本专业技术人员熟知的飞球式传感器或电子转轴转速传感器系统。
图3显示了为定位阻尼器环的优选的位置。环50位置的确定，要使它能在冷空间18和压缩孔口80的流道54设置阻碍，而压缩孔口80是内部发动机流动循环的最冷点。动力活塞20和置换器24共同确定压缩空间18，该空间邻近压缩孔口80。阻尼器环50是由控制器82的运动所控制，该控制器联接到一个合适的内部或外部转速传感器上(未画出)，形成调速器。
本发明除了防止发动机超速的作用外，还可以在常规反馈回路中作为调速器使用。例如，阀的结构是带有使工作气体通过流道具有流动阻力的中间阀。按照正常和标定的负荷选择流动阻力。适当的转速检测机构(比如象飞球式调速器的飞球机构或电子转速检测器)结合或联接到阀上，并确立所要求的转速点，该转速点即是在中间流动阻力和负荷所要求的动力之间的平衡条件的建立，转速的增加将导致进一步的节流，因此导致阀的流动阻力增加，当转速减小时则正好相反。
本发明结合优选的实施例已作了详细的描述，应当明确，在不违背本发明的精神和权利要求书范围的前提下，可以进行各种改动和修正。
权利要求
1.控制斯特林型机械动力的装置，这种斯特林型机械包括隔开的膨胀空间和压缩空间，由工作气体流过的流道将两个空间联接起来，其特征在于，位于工作气体流道中的一个调节阀装置，用来在机械运行中连续调节工作气体流道的流动阻力，控制可调节阀门装置的信号传感装置，以便增加流动阻力来响应超过在选定的运转限制条件时运转速度的增加。
2.控制斯特林型机械动力的装置，这种斯特林型机械包括隔开的膨胀空间和压缩空间，由工作气体流过的流道将两个空间联接起来，其特征在于位于工作气体流道中的一个可调节阀装置，用来在机械运行中连续调节工作气体流道的流动阻力，控制可调节阀装置的信号传感装置，以便增加流动阻力来响应在超过选定的运转限制条件时运转冲程的增加。
3.按照权利要求1或2所述装置，其特征在于，带有许多间隔孔口的可转动阻尼器环，该环座靠在具有配合安置的许多间隔孔口的环形座上，以便改变上述孔口重叠对正的情况。
4.按照权利要求3所述装置，其特征在于，一个杆联接到阻尼器环上，根据机械的运转参数，该杆转动该环，变化工作气体流道的流动阻力。
5.按照权利要求1所述装置，其特征在于，为检测发动机转速，发动机的信号传感装置是一个飞球式调速机构。
6.控制斯特林发动机输出功率的方法，这种形式的斯特林发动机带有包含工作气体的膨胀空间和压缩空间，用通常带有回热器的工作气体流道将两个空间联接起来，其特征在于，通过对在上述流道连续增加流动阻力来减小功率。
7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，检测发动机转速，增加流动阻力，以响应超出所选定限制的增加的转速。
8.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，检测发动机的冲程，增加流动阻力，以响应超出所选定限制的增加的冲程。
9.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，流动阻力做为转速，冲程或功率的增加的连续函数而增加，做为转速，冲程或功率减小的连续函数而减小。
10.控制斯特林机械动力的方法，这种斯特林型机械带有包含工作气体的一个膨胀空间和一个压缩空间，用通常带有一个回热器的工作气体流道将两个空间联接在一起，其特征在于，通过增加通过上述流道的流动阻尼来减小功率输出，通过减小上述流动阻尼来增加功率输出，以便调整功率输出。
全文摘要
本发明包括为控制斯特林发动机的转速，冲程，动力输出的装置和相应的方法。本发明设置一个阀装置来控制连接置换器气缸冷端和热端的气体流道中工作气体的流动，阀装置由适当的发动机的转速，冲程或功率检测器来控制。
文档编号F02G1/043GK1043774SQ8910937
公开日1990年7月11日 申请日期1989年12月18日 优先权日1988年12月19日
发明者布鲁斯·杰·查格诺特 申请人:布鲁斯·杰·查格诺特