專利名稱：斯特林型機械轉速或功率控制的裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及各種斯特林型機械的轉速、沖程或功率的連續(xù)控制的裝置和方法，特別涉及利用位于聯(lián)接壓縮空間和膨脹空間的工作氣體流道內的可調節(jié)閥裝置的裝置和方法。運轉模式包括利用手動或連接到信號傳感裝置，連續(xù)調節(jié)在流道內來回流動的工作氣體，該信號傳感裝置用來檢測機械的運轉參數，控制這個可調節(jié)閥裝置，以便連續(xù)調節(jié)工作氣體流動，來控制轉速、沖程或功率。
從太陽能收集器，聚能器以及諸如此類的裝置，還有從燃燒廉價廢棄物中利用能量，其經濟可行性已得到提高，而這又提高了斯特林發(fā)動機作為將熱能直接轉換為機械能的一種機械的吸引力。
斯特林發(fā)動機問世已經幾十年了，這種發(fā)動機的工作是依靠限定在工作空間內的工作流體的壓力變化。這些壓力變化是由于活塞的運動壓迫交替冷熱變化的工作流體而引起的，這些活塞位于工作空間的使膨脹(熱)空間和壓縮(冷)空間之間相連通的那些部分上。
斯特林發(fā)動機特殊的問題是當空負荷或部分負荷時，發(fā)動機可能超速運轉，從而導致發(fā)動機很快損壞，縮短了發(fā)動機的壽命。由于非常大的熱慣性是與加熱器有關，因此不可能簡單通過控制燃料的燃燒速率來響應外界負荷的迅速變化。
現(xiàn)有技術是利用各種方法來提高斯特林發(fā)動機響應外界負荷迅速變化的能力。一種有效的功率調節(jié)器是在壓縮空間和緩沖空間之間安置可調節(jié)的孔。但是，這種方法要求常閉的壓力型閥。
另一種解決方案是改變工作氣體充氣壓力，但是，如果改變的很快，將使主要的發(fā)動機零部件承受很大的壓力。這樣的壓力調節(jié)技術既使全部充氣壓力被釋放，在大氣壓力下也易于超速。另外的一個缺點是過長的充氣壓力恢復時間，直到大約10分鐘，還不能達到全部功率。
美國專利3，724，206披露了一種用于封閉循環(huán)置換器型熱氣體發(fā)動機的速度調節(jié)器，該發(fā)動機包括位于回熱裝置和置換器氣缸的熱端之間的一個隔開的加熱裝置，在加熱裝置旁路的通道直接將回熱裝置引導到置換器氣缸的熱端，一個外部控制的可變閥在工作氣體(假如有的話)被傳輸到置換器氣缸熱端時，將決定工作氣體的哪一部分走加熱裝置的旁路，而不可變換的閥在工作氣體傳送出置換器氣缸之外時，允許所有的工作氣體流經加熱裝置的旁路。
另一種系統(tǒng)有一個由閥控制的孔口通到一個隔開的容器，來降低發(fā)動機效率，因此，也就降低了發(fā)動機功率。美國專利3，756，018披露了在每一發(fā)動機氣缸較高溫度部分聯(lián)接到帶有閥調節(jié)裝置的發(fā)動機氣缸的較低溫度部分，來改變在一個多室容器中氣體工作介質的平均壓力的裝置，該閥調節(jié)裝置調節(jié)在發(fā)動機氣缸不同階段中的和較冷部分氣體的壓力。
美國專利2，547，781披露了一種熱氣體發(fā)動機，它包括一個工作室;帶有一個特別室的控制系統(tǒng);一個總是開著的可變流動阻力循環(huán)小孔，以便使特殊室與工作室配合的裝置;改變流動阻力循環(huán)小孔的閥裝置;為操作閥裝置的開動裝置，開動裝置響應于發(fā)動機的速度。
美國專利228，716;1，895，082;3，220，178;4，019，322和4，622，813都是包括有閥發(fā)動機技術的有關例子。
本發(fā)明的目的是提供一種斯特林機械的改進型，使其在操作控制方面迅速，簡單、有效。本發(fā)明的另一個目的是提供一種斯特林機械，可以簡單，有效地將該機械的動力輸出與所要求的負荷相匹配。
本發(fā)明還有一個目的，是提供位于該機械的熱交換器回路中的可變阻尼閥，用來限制氣體流動，減小熱的傳輸和功率容量，從而在熱交換回路中引起流動損失，以便減小可用功率。
本專業(yè)的技術人員在研究了本發(fā)明的說明書和權利要求書后，將對本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點有更清楚的認識。
本發(fā)明涉及各種斯特林機械的一種控制阻尼機構，它可以特別有效的方式連續(xù)控制這種機械的運轉。斯特林機械包括一個膨脹空間和一個壓縮空間，兩個空間由流道連接起來，流道一般包含一個加熱器，一個回熱器和一個冷卻器。該機械的活塞運動迫使氣體來回振蕩通過連接通道。
本發(fā)明與在工作氣體流道中有效控制可調節(jié)閥裝置的位置有關，例如，一個有多個槽縫的可轉動阻尼環(huán)和一個開口流動導管裝置，以便各種隔開的較小的流動部分形成一一對應的聯(lián)系(這些較小的流動部分在優(yōu)選的實施例中包括工作氣體流道)，使閥裝置變化可利用的流通面積來調節(jié)振蕩的工作氣體流動，通過來自發(fā)動機轉速，沖程或功率檢測器的反饋信息，實現(xiàn)對閥裝置及其動作的控制。測定器相應于機械運轉參數連續(xù)控制閥裝置的流動阻力，以便減低過高的轉速，過大的沖程或功率。增加流動阻力以減小功率。以這種方式，使阻尼系統(tǒng)運轉以保證這種機械在安全或要求的轉速沖程或功率下運轉。


圖1是適合使用本發(fā)明的阻尼閥系統(tǒng)的自由活塞的斯特林發(fā)動機，阻尼閥系統(tǒng)控制著工作氣體流過熱空間一回熱器一冷空間的發(fā)動機內部通道。
圖2為同心放置在工作氣體流道部分的阻尼器環(huán)的橫截面圖，阻尼器環(huán)可阻礙或者可允許氣體通過。
圖3為本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，它包括圖2所示縫環(huán)在孔口內緊靠冷室入口的優(yōu)選位置。
在結合附圖對本發(fā)明優(yōu)選的實施例作描述時，為了清楚起見，將借助某些專門術語。然而，本發(fā)明并不被局限于這些選定的專門術語，應當理解，每一個專門術語包括所有以同樣方式工作而達到同樣目的的技術等同物。例如，“被聯(lián)接”這一詞或類似術語常被使用，它并不局限于直接聯(lián)接，還包括通過其它部件的聯(lián)接，只要這種聯(lián)接在該技術領域內被認為是聯(lián)接的等同物。
首先要強調，本發(fā)明的這種具體的動力控制裝置可以用于各種類型的斯特林機械，不論是發(fā)動機或冷卻器，這種機械包括曲柄，自由活塞，多個氣缸和其他部件。因此，附圖中顯示的具體實施例僅僅是個例子。
圖1是一種斯特林發(fā)動機的簡圖，該發(fā)動機有封閉工作空間12的殼體10。工作空間12進一步分成膨脹空間16和壓縮空間18。這些空間填充或充入適于斯特林機械使用的，已經增壓的氣體，例如空氣或氮氣?？赏鶑瓦\動的動力活塞20安裝在動力活塞氣缸22中。置換器24的質量相對的小，但是容積相當大，并有密封裝置25，置換器24可在工作空間12中形成的置換器氣缸內作往復滑動。
置換器桿28與置換器24連接，該桿軸向延長，并可滑動地通過軸承30，該軸承由軸向通過動力活塞20而形成的。動力活塞20通過一個適當的機械連接裝置28與一個從動元件32聯(lián)接。
膨脹空間16和壓縮空間18由一個工作氣體流道聯(lián)接在一起，該流道一般包括回熱器34，導管通道35和可調節(jié)閥40，從而形成外部熱交換回路。
圖1所示的機械可以作為發(fā)動機或馬達來運轉，其方法是熱的施加來自與膨脹空間16相關聯(lián)的熱源36，通過熱交換器或受熱器38將熱從冷空間排出。
本發(fā)明特別涉及如圖1中所示的快速作用和反作用的可調節(jié)閥或阻尼器裝置40，該裝置被置于有效的位置，來控制在外部熱交換回路中的氣體流動，通過回熱器34，用于流過工作氣體的通道將膨脹空間16和壓縮空間18連接起來。圖2和圖3是有適當的阻尼器裝置的一個優(yōu)選實施例。通過這樣的裝置，可以增加在熱交換器回路中流動阻力，因此減小了氣體的熱傳導，從而導致氣體流動減小。結果則是功率的減小。為了達到簡單的手動功率調節(jié)，該閥也可手動操作。
對一臺運轉的發(fā)動機，通過負荷來減小功率或對功率需求降低，其結果是運轉速度的增加。因此，本發(fā)明構思的一個重要的應用是通過檢測發(fā)動機轉速和增加流動阻力，來響應轉速的增加超過選定的最大限度，防止發(fā)動機超速運轉。
本優(yōu)選實施例在發(fā)動機正常運轉條件下，阻尼器機構并不動作，因此，工作氣體的流動完全不受阻力，可以通過熱交換器回路來回流動。在加熱器-回熱器-冷卻器回路中的流動損失保持在最小值狀態(tài)。當發(fā)生超速情況，是通過一個適當的轉速傳感器(對本領域的技術人員來說，這種傳感器是很普通的)來檢測的，然后阻尼器被開動，這樣，在發(fā)動機到達一個不合需要的，可能有危害的轉速之前，使其轉速受到限制。
轉速，即單位時間的轉數，可用目前市場上可得到的任何種類的測速裝置來檢測。來自轉速傳感器41的輸出信號直接作用于閥控制裝置42，當增加的轉速在所選限制之上時則增加流動阻力。流動阻力的增長最好作為增加的轉速或沖程的連續(xù)函數，其減小量則作為減小的轉速或沖程的連續(xù)函數。
圖2和圖3是本發(fā)明一個特殊的優(yōu)選實施例。閥裝置(如圖1中的閥裝置40)包括一個開縫環(huán)50，該環(huán)周圍上有許多等距間隔的阻尼器槽52。環(huán)50同心安置在冷卻器鑄件56內和內環(huán)形表面58的外面的工作氣體流道54中。槽是這樣設計的，使得阻尼器槽52與許多冷卻器通道60一一對應，冷卻器通道60在流道54中由相同數量的冷卻器槽62與相鄰的通道60被分隔。
當發(fā)動機正常運轉時，冷卻器通道60和阻尼器槽52對正，因此，阻尼器槽52并不對在流道內流經冷卻器通道的流體產生流動阻力，也就不發(fā)生阻尼狀態(tài)的流動。但是，當發(fā)動機在超速或超沖程狀態(tài)下運轉，通過一個控制傳感器(未畫出)的作用驅動控制小齒輪66和阻尼環(huán)齒輪齒段64使環(huán)50轉動，從而使槽復蓋冷卻器通道到這樣的程度，既使流動產生阻礙，又能通過所需要的氣體。由于流動損失增加，發(fā)動機功率和轉速沖程將減小到一個相應的量。帶有槽52的阻尼器環(huán)50和冷卻器通道60最好這樣設計，當阻尼器完全開動時(即每一個通道60都完全被阻礙)，發(fā)動機將完全停止運轉。阻尼器環(huán)精確的轉動，或由手動控制，或由適當的轉速傳感器裝置自動控制，這種轉速傳感器裝置都是本專業(yè)技術人員熟知的飛球式傳感器或電子轉軸轉速傳感器系統(tǒng)。
圖3顯示了為定位阻尼器環(huán)的優(yōu)選的位置。環(huán)50位置的確定，要使它能在冷空間18和壓縮孔口80的流道54設置阻礙，而壓縮孔口80是內部發(fā)動機流動循環(huán)的最冷點。動力活塞20和置換器24共同確定壓縮空間18，該空間鄰近壓縮孔口80。阻尼器環(huán)50是由控制器82的運動所控制，該控制器聯(lián)接到一個合適的內部或外部轉速傳感器上(未畫出)，形成調速器。
本發(fā)明除了防止發(fā)動機超速的作用外，還可以在常規(guī)反饋回路中作為調速器使用。例如，閥的結構是帶有使工作氣體通過流道具有流動阻力的中間閥。按照正常和標定的負荷選擇流動阻力。適當的轉速檢測機構(比如象飛球式調速器的飛球機構或電子轉速檢測器)結合或聯(lián)接到閥上，并確立所要求的轉速點，該轉速點即是在中間流動阻力和負荷所要求的動力之間的平衡條件的建立，轉速的增加將導致進一步的節(jié)流，因此導致閥的流動阻力增加，當轉速減小時則正好相反。
本發(fā)明結合優(yōu)選的實施例已作了詳細的描述，應當明確，在不違背本發(fā)明的精神和權利要求書范圍的前提下，可以進行各種改動和修正。
權利要求
1.控制斯特林型機械動力的裝置，這種斯特林型機械包括隔開的膨脹空間和壓縮空間，由工作氣體流過的流道將兩個空間聯(lián)接起來，其特征在于，位于工作氣體流道中的一個調節(jié)閥裝置，用來在機械運行中連續(xù)調節(jié)工作氣體流道的流動阻力，控制可調節(jié)閥門裝置的信號傳感裝置，以便增加流動阻力來響應超過在選定的運轉限制條件時運轉速度的增加。
2.控制斯特林型機械動力的裝置，這種斯特林型機械包括隔開的膨脹空間和壓縮空間，由工作氣體流過的流道將兩個空間聯(lián)接起來，其特征在于位于工作氣體流道中的一個可調節(jié)閥裝置，用來在機械運行中連續(xù)調節(jié)工作氣體流道的流動阻力，控制可調節(jié)閥裝置的信號傳感裝置，以便增加流動阻力來響應在超過選定的運轉限制條件時運轉沖程的增加。
3.按照權利要求1或2所述裝置，其特征在于，帶有許多間隔孔口的可轉動阻尼器環(huán)，該環(huán)座靠在具有配合安置的許多間隔孔口的環(huán)形座上，以便改變上述孔口重疊對正的情況。
4.按照權利要求3所述裝置，其特征在于，一個桿聯(lián)接到阻尼器環(huán)上，根據機械的運轉參數，該桿轉動該環(huán)，變化工作氣體流道的流動阻力。
5.按照權利要求1所述裝置，其特征在于，為檢測發(fā)動機轉速，發(fā)動機的信號傳感裝置是一個飛球式調速機構。
6.控制斯特林發(fā)動機輸出功率的方法，這種形式的斯特林發(fā)動機帶有包含工作氣體的膨脹空間和壓縮空間，用通常帶有回熱器的工作氣體流道將兩個空間聯(lián)接起來，其特征在于，通過對在上述流道連續(xù)增加流動阻力來減小功率。
7.按照權利要求6所述的方法，其特征在于，檢測發(fā)動機轉速，增加流動阻力，以響應超出所選定限制的增加的轉速。
8.按照權利要求6所述的方法，其特征在于，檢測發(fā)動機的沖程，增加流動阻力，以響應超出所選定限制的增加的沖程。
9.按照權利要求6所述的方法，其特征在于，流動阻力做為轉速，沖程或功率的增加的連續(xù)函數而增加，做為轉速，沖程或功率減小的連續(xù)函數而減小。
10.控制斯特林機械動力的方法，這種斯特林型機械帶有包含工作氣體的一個膨脹空間和一個壓縮空間，用通常帶有一個回熱器的工作氣體流道將兩個空間聯(lián)接在一起，其特征在于，通過增加通過上述流道的流動阻尼來減小功率輸出，通過減小上述流動阻尼來增加功率輸出，以便調整功率輸出。
全文摘要
本發(fā)明包括為控制斯特林發(fā)動機的轉速，沖程，動力輸出的裝置和相應的方法。本發(fā)明設置一個閥裝置來控制連接置換器氣缸冷端和熱端的氣體流道中工作氣體的流動，閥裝置由適當的發(fā)動機的轉速，沖程或功率檢測器來控制。
文檔編號F02G1/043GK1043774SQ8910937
公開日1990年7月11日 申請日期1989年12月18日 優(yōu)先權日1988年12月19日
發(fā)明者布魯斯·杰·查格諾特 申請人:布魯斯·杰·查格諾特