能量轉換器的製作方法
2023-06-20 18:10:21
專利名稱：能量轉換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種能量轉換器，它包括一自由活塞發動機，該發動機具有汽缸、活塞、與活塞相連的本體以及一彈性裝置，該彈性裝置被布置成沿著汽缸的縱向在本體上施加力並在汽缸上施加相應的反作用力。
從US 5 002 020中可以知道一種具有振動磁體的上述類型的能量轉換器。在該文獻中還描述了用於控制發動機的裝置，並且這種相配的裝置還可以用來控制如下所述的發動機。
為了產生固定頻率的振動，已知能量轉換器的發動機包括單獨的頻率控制裝置，從而增加了該裝置的複雜性。除了在操作期間會出現故障的危險之外，這還導致該裝置的價格和維修費用的增加。
另外，從GB 2 206 931中可以知道，當線性電機的磁體(在下面被稱為電樞或轉子)由被提供有來自公共電網的電流的繞組(在下面被稱為定子)操縱時，可以促使真空泵的活塞振動。為了使電機適應不同的饋電電流頻率，電樞與腔室相連，用來使該腔室與周圍空氣相通的該腔室的開口可以如此變化，從而使振動頻率可以變化。在這裡所述的裝置不是發電機，並且電樞/活塞組件不是設置成在泵的「空轉狀態」並且電樞受到例如通與特定數目的時間段對應的力的影響期間持續振動，以便補償任何幅度減小。
本發明的目的在於提供一種上述類型的能量轉換器，該轉換器可以成少上述缺陷。而且，本發明的目的在於提供一種能量轉換器，該轉換器適用於自由活塞發動機至線性發電機，從而可以獲得特別高的效率。
在權利要求中將給出本發明裝置的代表性特徵。
現在將參照附圖對本發明進行更詳細的說明，這些附圖示意性地顯示出根據本發明的裝置的實施例。
圖1-5顯示出根據本發明的能量轉換器的五個相應實施例的縱向斷面；圖6-8顯示出分別在引入第一燃油、引入第二燃油並且引爆這些燃油期間根據本發明的裝置的燃燒室的局部切掉的斷面；圖9顯示出根據本發明的第六實施例的縱向斷面，其中通過炸藥和螺旋彈簧來移動該裝置的電樞；圖10顯示出根據本發明的第七實施例的縱向斷面，其中採用四對均勻極化的磁鐵來移動電樞。
術語「左」和「右」應該被理解為指的是在由讀者觀看時分別朝著該圖的左、右邊緣的方向。在圖1-5中的不同實施例中具有相同功能的部件具有相同的參考標號並且加上一個或多個撇號。
如在圖1中可以看出，該圖顯示出最簡單的實施例，在外殼1的汽缸2中安裝有活塞3，該活塞布置成在汽缸2中前後移動。汽缸2和活塞3優選為具有由汽缸部分2和活塞3限定的燃燒室4的內燃機的組成部件。通常該發動機可以包括有以下部件，例如用於將燃燒氣體導入汽缸中的入口閥和用於釋放廢氣的出口閥，用於為活塞建立運動參數的數值的傳感器，其中可以將這些數值提供給用於控制發動機等的計算機，在這些圖中沒有顯示出這些部件。活塞杆5通過其一個端部與活塞3剛性地連接並且通過其另一個端部與線性電機10的可動部件(下面被稱為電樞11)剛性連接。在電樞11附近，發電機10的定子12連接在外殼11上，要理解的是，電樞11可以安裝在軸承中(未示出)，這些軸承支撐著電樞11，從而使得電樞能夠相對於定子12向前和向後進行線性運動，從而在定子12中感應出電流。該電流可以通過合適的導線(未示出)被導出該定子12。
在電樞11的相對側面上，在電樞11和外殼1之間安裝有包括彈性元件例如彈簧15的彈性裝置。當活塞杆5沒有在電樞上施加任何力時，該彈簧試圖將電樞11帶到沿著電樞的運動方向並相對於定子12可稱為中間的位置N上。當電樞連續地處於停止狀態時，它位於在圖1中由點劃線所示的位置N上。如果例如通過閥門將可燃氣體導入燃燒室4的話，閥門關閉以及氣體被點燃，則在燃燒室中實現氣體溫度和壓力的增加。從而朝著活塞3的右邊施加力，該力通過活塞杆5被傳遞給電樞11，並且活塞和電樞朝右移動，從而在定子12中感應出電流。同時，彈簧15受到壓縮並且張力逐漸地增加，結果它施加了相應的逐漸增加的彈簧力，該力朝向左邊。通過定子12還將施加朝向電樞11上的左邊的作用力。
在燃燒室通過開口排氣之後，閥門和燃燒室不再在活塞3上施加任何壓縮力，並且電樞11已經到達其外部死點，彈簧15使得電樞11向左邊加速，因此在定子12中再次感應出電流，同時活塞3移動進入汽缸2。在電樞11由此已經通過中間位置N之後，彈簧力反向施加，從而彈簧15伸展。
如果這些閥門保持打開並且基本上只有彈簧影響活塞和電樞的運動，則使得電樞繞著中間位置N振動。在該振動期間，隨著電樞11每一次穿過定子12的運動，在其中感應出電流並且定子的幅值逐漸減小。
當電樞的幅度已經減小這樣的程度上即它下降到預定最小值以下時，可以使得燃燒室4中的燃燒氣體再次燃燒，因此再次將力施加在電樞11上，以便將其幅度增加到所要求的數值上。如果從轉換器中只需要少量的電流，則不必在每次電樞11振動時在燃燒室4中進行燃燒。
上述振動具有與由彈簧15、電樞11、活塞3和活塞杆5形成的振動裝置的自然頻率相對應的頻率fc，並且該頻率fc取決於彈簧15的剛度和振動物體的總慣性質量。
通過這種能量轉換器，因此獲得具有與自然頻率fc相對應的固定頻率的電流是非常簡單的事情。
圖2顯示出根據本發明的能量轉換器的第二實施例。在該情況下，在活塞3″和電樞11″之間設有壁或凸緣20，並且在電樞11″和該凸緣20之間安裝有彈簧21。在電樞11″的相對側面上，在它和外殼1″之間安裝有彈簧15″。電樞11″、活塞3″以及彈簧15″和21在這裡形成振動裝置。
圖3顯示出根據本發明的能量轉換器的第三實施例。其中代替剛性地連接在電樞11上的活塞杆5，設有接觸板25，從而彈簧26設在接觸板25和電樞11之間。
因此在該情況下，由活塞3產生出的力通過彈簧26被傳遞給電樞11。
電樞11、活塞3以及彈簧26和15在這裡形成振動裝置。
圖4顯示出根據本發明的能量轉換器的第四實施例。
在背離汽缸2″″的外殼1″″的側面上，設有帶有第二活塞28的第二汽缸27，該活塞28與第二活塞杆29相連。在電樞11″″以及汽缸2″″和27之間分別設有橫向壁30、31。在這些壁30、31和電樞11″″之間設有相應的彈簧32、33，這些彈簧支撐在這些壁和電樞上。
活塞3″″和28分別通過活塞杆5″″和35與電樞11″″剛性連接。因此根據要求，可以從一個活塞或者兩個活塞中將力施加在電樞11″″上。
圖5顯示出根據本發明的能量轉換器的第五實施例。
在圖4和圖5中所示的能量轉換器之間的區別在於，圖5的能量轉換器的兩個彈簧36、37在面對著電樞的活塞杆的端部處安裝在電樞11″″′和凸緣38、39之間。因此活塞3″″′和40通過彈簧作用於電樞11″″′。
振動裝置包括彈簧36、37、活塞杆以及活塞3″″′和40。
在這些活塞通過一個或兩個彈簧與電樞連接時，這些活塞可以(例如通過在振動裝置正在自由振動時鄰接壓靠在一部分相應汽缸頂部上)相對於外殼固定，並且例如在需要活塞運動時可以將壓縮的燃燒氣體帶進燃燒室中並且點燃。
如果電樞由活塞支撐(圖1)並且只設有一個活塞的話，則活塞杆和活塞之間的連接必須是剛性的。如果電樞具有單獨的導向件或控制件，則活塞杆可以通過活塞螺栓連接在活塞上。
儘管在圖4和5中顯示出兩個汽缸和活塞分別安裝在電樞的每一側上，要理解的是，它們也可以安裝在電樞的相同側面上。另外，根據要求可以設有兩個以上的汽缸和活塞。
如上所述，在減去在克服可動部件和靜止部件之間的摩擦中所消耗的相對少量的能量後可以將提供給該轉換器的能量轉換成電能。但是要理解的是，上述類型的能量轉換器可以用作用來產生富集能量的排出氣體的氣體發電機，其能量可以通過進一步的能量轉換而得到利用。例如，根據圖2-5的氣體發電機可以非常容易控制，因為任何燃燒以及由此產生處的排氣可以例如在每次活塞位於其上死點處時進行，或者在每次在燃燒室中出現燃燒之間進行多次的活塞振動。
另外，如上所述，彈性裝置是由彈簧構成的，但是要理解的是，可以採用任何可以提供用來在本體移動離開中間位置N時將本體帶回到中間位置N的回覆力的裝置。例如，定子和電樞可以包括兩對具有相同極性的相互作用磁鐵，其中在它們之間產生用來使這些磁鐵相互分開的力，並且該力是這些磁鐵之間距離的負值的函數。一對可以用來使電樞向左移動，而另一對可以用來使電樞向右移動。如從下面可以清楚看出，如果電樞和活塞的振動頻率較高的話，則這些磁鐵尤為有利。
除了靜止和可動部件之間的摩擦之外，通過發電機的定子也將施加對電樞運動的阻力。
通過將燃燒氣體導入燃燒室並且在其中產生與傳統內燃機中的燃燒過程相對應的燃燒過程，從而燃燒速率將為大約10m/s的最大值。因此在燃燒室中的氣體壓力中獲得相應較慢的增加，並且在活塞上施加了力。包含在燃燒氣體中的相對一小部分能夠因此通過活塞被轉換成動能，由於相應大部分被轉換成由發動機帶走的熱能。在這種內燃機中，燃燒氣體的壓力以及施加在活塞上的力在相當長的時間內得到保持，並且如果在燃燒氣體中的能量必須完全被傳遞給活塞的話，則活塞必須在能量傳遞期間沿著相同的方向即沿著與燃燒室的體積增加即遠離燃燒室的方向移動。要理解的是，如果活塞/電樞/彈簧裝置的自然頻率被選擇得太高，並且在該裝置幾次振動之後必須通過在燃燒室中進行燃燒來補償振動幅度的減小的話，則會出現這樣的情況，即在燃燒期間該裝置朝著燃燒室並克服由燃燒氣體施加在活塞上的力移動，這會使得活塞和電樞制動而不是加速。可以傳遞來自燃燒氣體的力的時間間隔(下面被稱為傳遞時間間隔)因此必須足夠大，即自然頻率必須相對較低。
對於具有振動的電樞/定子裝置和定子的線性發電機而言，效率即在發電機中被轉換的電能相對於電樞的動能的比例是振動頻率的函數。
為了使根據本發明的能量轉換器獲得較高的振動頻率，活塞/電樞/彈簧裝置的自然頻率(下文被稱為電樞頻率)因此必須較高。
在高電樞頻率的情況下，由於傳遞時間間隔較小，所以需要迅速將燃油的能量傳遞給電樞。因此根據本發明，可以選擇在燃燒室中燃油的起爆或爆炸來代替上述燃油相對緩慢的燃燒，從而可以獲得非常迅速的燃油燃燒和非常大的輸出。例如，通過使直徑為10mm的炸藥包爆炸，可以獲得4GW的輸出。下面將對利用上述線性發電機的該輸出的裝置進行說明。
圖6-8顯示出上述自由活塞發動機的燃燒室50的實施例的示意性縱向斷面。
燃燒室50由包括橫斷面為圓形的側壁52和端壁54的汽缸56以及在汽缸56中可以在軸向上來回即在圖6-8中左右移動的活塞58所限定。如上所述，活塞58與發電機(未示出)的電樞相連。
在汽缸56中設有第一孔道60。在該孔道中，在汽缸56中設有用於閥門64的閥座62，該閥門可以沿著雙箭頭A朝向或遠離閥座62而以已知的方式移動。閥門64可以設置成通過合適的裝置例如螺線管66非常迅速地運動。或者，該閥門可以通過活塞藉助於裝置例如機械機構移動。
在汽缸56中還設有第二孔道70，在該孔道中設有噴嘴72。但是要理解的是，在兩個孔道60、70中可以設置閥門或噴嘴來代替閥門64和噴嘴72。可以通過閥門64將第一氣態燃料成分導入燃燒室20中，並且可以通過噴嘴72將第二燃料成分導入。
採取圓形軸向延伸的周圍凸緣形式的活塞58的右邊端部具有較短的徑向內部汽缸表面78，並且在該汽缸表面78的徑向內部，該活塞58可以具有徑向平面84。
側壁52為喇叭形，並且其左邊端部80布置成在活塞58位於如圖6中所示它已經朝右移動到最大距離的位置時密封鄰接壓靠在汽缸表面78上。通過使活塞58向左遠離在圖6-8中所示的位置而移動較短的距離，從而在活塞58和汽缸56之間形成小開口，因此使得燃燒物質能夠例如以在圖9中更全面地所述一樣的方式從燃燒室50中除去。
如果當活塞密封鄰接壓靠在汽缸左邊端部80上時需要在燃燒室中進行燃燒的話，則第一個步驟是要打開閥門64。然後如由圖6中的彎曲箭頭所示通過閥門64和其閥座62之間的開口將固定量的第一燃料成分導入燃燒室50中。如圖7中所示，然後關閉閥門64並且通過噴嘴72將固定量的第二燃料成分導入燃燒室50中。這些燃料成分可以是這種類型，即當混合時立刻產生強烈的化學反應，從而如圖8中所示在燃燒室中立即出現起爆或爆炸。
在起爆或爆炸期間，獲得的壓力前端通常可以以高達9km/s的速度朝著活塞58移動。由於汽缸側壁52的彎曲形狀，所以壓力前端需要具有與平面84大致平行的形狀。要理解的是，壁的形狀可以與在這裡大致所示的不同。因此，壓力前端的所有部分同時撞擊活塞，並且壓力前端的能量在非常短的時間內被傳遞給活塞。要理解的是，熱能從燃燒室中的燃燒材料傳遞給其周圍所需的時間非常短，並且燃燒室中的熱能損失非常少。由於活塞運動被直接傳遞給電樞，即活塞的線性運動沒有通過該裝置的額外部件轉換成轉動運動，所以由於相對彼此運動的部件之間的摩擦而帶來的能量損失非常小。
在圖9中顯示出可以將例如固體炸藥的爆炸裝藥順序導入燃燒室中來代替上述兩種燃料成分。
如在該圖中所示一樣，燃燒室100由汽缸102和活塞104限定，它們在形式上與在圖6-8中所示的那些相似。唯一的本質區別在於，在汽缸102或者更精確地說其後壁106中設有圓柱形軸向延伸的腔室108，該腔室通過變窄的部分110與燃燒室100相通，因此形成面對著在圖9中的右邊的接觸臺肩112。
在汽缸102的外側上設有基本上可軸向移動的推動體114，其左邊端部與活塞104和汽缸102的相鄰區域限定了壓力腔室116。
推動體114的右邊端部設置成鄰接壓靠在滑動件132上，該滑動件設置成在與汽缸102牢固連接的導管或夾持件120中軸向滑動。滑動件132受到彈簧裝置122的作用，該彈簧裝置用來使滑動件132以及推動體114相對於導管120移動到圖9中的左邊。在汽缸102的軸向延伸部分中，在滑動件132附近設有點火件134。在滑動件132中設有凹槽136，該凹槽向點火件134敞開，並且點火件134具有設置成伸進凹槽136的銷138，並且該銷在軸向方向上稍稍比凹槽136短。
在導管120的下面部分上，例如設有孔道124，並且燃料室126在開口附近與導管120連接，該燃料室在徑向上遠離導管120延伸。
汽缸腔室108設置成容納其形狀與汽缸腔室108相配的爆炸體128，該爆炸體沿著軸向方向的位置由其左邊端部鄰接壓靠在接觸臺肩112來決定。
燃料室126設置成容納一系列爆炸體130，這些爆炸體相鄰堆疊在燃料室126中，由此它們沿著朝向孔道128的方向由推動裝置(未示出)推動。爆炸體的爆炸以及可能的上述爆炸成分可以以已知的方式包含有爆炸材料爆炸所需的氧氣。
另外，活塞104、發電機的電樞以及用來使它們移動以便產生出振動的彈簧的布置方式基本上如圖3中所示那樣。
現在將對爆炸體在汽缸腔室108中的連續點火和移動進行更詳細地說明，假定爆炸體128最初位於汽缸腔室108中並且在燃料室126中堆疊了一系列爆炸體130。還假定活塞104、滑動件132和點火件134最初位於圖9中所示的位置。
例如可以通過利用電子點火電路(未示出)向爆炸體提供電能來使位於汽缸腔室108中的爆炸體128爆炸，或者例如通過由線圈140夾住的點火件134克服由彈簧122施加的力稍微向右移動並且釋放，由此點火件134在彈簧122和動能的作用下沿著相對方向移動，該點火件通過在爆炸體128上的衝擊作用而被釋放，從而引起爆炸。
由於在爆炸之後產生的並且作用活塞104的爆炸壓力前端，活塞104非常迅速地向圖9中的左邊移動，從而接收非常大量的動能。由於活塞移動離開汽缸，所以在汽缸和活塞之間形成有開口，通過該開口在汽缸腔室108中處於巨大壓力下的爆炸殘餘可以流進壓力腔室116，在那裡它在推動體114上施加短時間的壓力，從而使得它以及滑動件132向右移動，由此彈簧122被壓縮並且受到限制。當滑動件的凹槽136的左邊端部鄰接壓靠在銷138上時，至今已經鄰接壓靠在汽缸腔室的右邊端部的點火件134也一起被承載。
當滑動件132和點火件134已經在軸向上移動到它們不再覆蓋導管120中的孔道134時，離導管120最近的爆炸體130通過孔道124被推進導管120中。但是由於彈簧122的力增加，滑動件132和點火件134將反向運動並且在爆炸體在軸向上與汽缸腔室108對準時向左移動，由此將爆炸體推進汽缸腔室108中。
在這個過程期間，由於這些彈簧作用在該活塞和電樞上，所以活塞104也已經反向運動並且向回移動成重新鄰接壓靠在汽缸上。點火件的銷138由此位於凹槽的右邊部分中。當爆炸體130的左右端鄰接壓靠在接觸臺肩112上時，爆炸體130停止同時點火件134用非常大的力壓靠在爆炸體的右邊端部上。從而使得汽缸腔室108中的該爆炸體130爆炸並且重複上述過程。
在本發明的第二實施例中，由此可以使得位於汽缸腔室108中的爆炸體根據由活塞的運動參數所確定的其它規則爆炸，並可以設置傳感器(未示出)來感測這些運動參數，例如活塞的軸向位置、幅度等。這些傳感器(未示出)例如可以設置成將信號傳送給計算機(未示出)，該計算機計算出這些參數的的數值，並且該計算機例如被設置成通過合適的點火電路(未示出)向汽缸腔室108發送電點火信號，所述點火電路用來對可能暫時位於汽缸腔室108中的爆炸體進行點火。
當例如由於其幅度過度減小，所以需要在由計算機根據從傳感器接收到信號的基礎上所確定的時刻向活塞/電樞裝置提供能量時，將點火信號提供給位於汽缸腔室108中的爆炸體128，因此爆炸體128爆炸。然後將新的爆炸裝藥帶進汽缸腔室108中，並且使之在下一個振動周期或多個周期之後以上述方式爆炸。
在圖10中顯示出根據本發明的能量轉換器的另一個實施例，其中作用在活塞和電樞上並且在圖9中所示的彈簧已經由四對分別具有相同極性的相互作用的磁鐵150和152所代替。通過該方法，可以產生出巨大的力，這可以使得活塞/電樞裝置在其振動期間的運動反向，因此防止在靜止和運動部件之間的任何振動。
可以將爆炸體設置在由合適的裝置(例如用於操縱機關槍的裝置)驅動的皮帶上，來代替將單獨的爆炸體設置在燃料室中。
權利要求
1.一種能量轉換器，它包括一自由活塞發動機，該發動機具有至少一個汽缸(2，2″″，27)、 安裝在汽缸中的活塞(3，3″，3″″，3″″′，28，40)、與活塞相連的本體(11，11″，11，11″″)以及彈性裝置(15，21，15″，26，15，32，33，36，37)，該彈性裝置沿著汽缸(2，2″″)的縱向方向在本體上(11，11″，11，11″″)施加力，並且在汽缸(2，2″″)上施加相應的反作用力，其特徵在於，所述彈性裝置(15，21，15″，26，15，32，33，36，37)設置成用來或者使本體(11，11″，11，11″″)在相對於汽缸(2，2″″)的中間位置(N)上不斷地保持靜止，或者用來使得本體(11，11″，11，11″″)繞著中間位置(N)以自然頻率fc振動。
2.如權利要求1所述的能量轉換器，其特徵在於，它包括一種線性發電機(10)，該發電機具有相對於汽缸(2，2″″)靜止的定子(12)以及相對於定子(12)可動的電樞，該電樞構成本體(11，11″，11，11″″)並且與活塞相連。
3.如權利要求2所述的能量轉換器，其特徵在於，彈性裝置包括彈性元件例如彈簧(15)，並且活塞(3)與電樞(11)剛性連接。
4.如權利要求2所述的能量轉換器，其特徵在於，彈性裝置包括兩個彈性元件例如具有相同極性的的彈簧(21，15″，26，15，32，33，36，37)或磁鐵(150，152)，它們沿著汽缸的縱向方向安裝在本體(11，11″，11，11″″)的每一側上。
5.如權利要求4所述的能量轉換器，其特徵在於，所述活塞(3，3″，3，3″″)剛性連接在本體(11″″)上，或者通過其中一個彈簧(21，15″，26，15，32，33，36，37)連接在本體(11)上。
6.如權利要求4所述的能量轉換器，其特徵在於，所述發動機包括兩個活塞(3″″，28；3″″′，40)，它們設置成使電樞沿著任一方向移動，並且它們中的任一個剛性地連接在本體(11″″)上或者每一個通過相應的彈簧(36，37)連接在本體(11″″)上。
7.如前面任一權利要求所述的能量轉換器，其特徵在於，所述發動機與發動機的排氣能量消耗件相連。
8.如前面任一權利要求所述的能量轉換器，其特徵在於，它布置成由在汽缸(56，102)中產生爆炸的燃料(128，130)操縱。
9.如權利要求8所述的能量轉換器，其特徵在於，所述能量轉換器包括用於將燃料間斷地順序導入所述汽缸中的裝置。
10.如權利要求8或9所述的能量轉換器，其特徵在於，所述燃料是爆炸體(128，130)。
11.如權利要求10所述的能量轉換器，其特徵在於，所述汽缸和聽述活塞的表面(84)限定了燃燒室(50)，並且面對著活塞表面(84)的一部分汽缸壁(52，54)具有這樣一種形狀，它在燃料爆炸時產生於活塞表面(84)平行的壓力波前端。
12.如權利要求11所述的能量轉換器，其特徵在於，汽缸壁(52，54)沿著遠離限定燃燒腔室的端部的方向加寬。
全文摘要
一種能量轉換器，它包括一自由活塞發動機，該發動機具有至少一個汽缸(2)、安裝在汽缸中的活塞(3)、與活塞相連的本體例如線性發電機(10)的電樞(11)。該能量轉換器包括一彈簧裝置(15)，電樞(11)通過彈簧裝置(15)與外殼(1)彈性地連接，並且該彈簧裝置(15)布置成使得電樞(11)可沿著活塞(3)的運動方向以自然頻率fc相對於定子(12)振動。
文檔編號H02K7/18GK1416501SQ01806397
公開日2003年5月7日 申請日期2001年1月29日 優先權日2000年1月28日
發明者穆罕默德·S·薩格沃 申請人:克拉維斯技術公司