專利名稱：一種氣動的機械振蕩器和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣體驅(qū)動的機械振蕩器和用振蕩器將膨脹氣體的能量轉(zhuǎn)換成機械功的方法，尤其是，但也不僅限于指一種利用一種振蕩體克服一空氣緩沖墊來加速一較大負載的氣動的動態(tài)線性振蕩器。
背景技術(shù)：
許多發(fā)動機都利用并以一種原理運作，該原理是利用燃燒過程中的膨脹氣體的能量產(chǎn)生一般用來驅(qū)動一活塞的機械功。這一過程可用在內(nèi)燃機中。
本發(fā)明已設(shè)想提供采用一種與通常所接受的技術(shù)和將膨脹氣體的能量轉(zhuǎn)換成機械功的方法不同方式的物理原理來有效地代替目前這種普通類型的氣體驅(qū)動的機械振蕩器。發(fā)明的概述一方面，根據(jù)本發(fā)明的將膨脹氣體的能量轉(zhuǎn)換成機械功方法包括以下步驟，(i)對一可調(diào)幅的機械振蕩器的輔助膨脹腔室施加正壓下的一連串氣體脈沖，使其一振蕩件振蕩以使得膨脹氣體在受載情況下做功；(ii)繼續(xù)對所述腔室施加所述脈沖，同時逐漸增加所述振蕩件的振幅，直至達到所需的振幅；以及(iii)繼續(xù)對所述腔室施加所述脈沖，同時保持所述所需的振幅。
一般的方法包括進一步的步驟，在繼續(xù)對所述腔室施加所述脈沖的同時逐漸增加所述振蕩件的慣性。
一般的方法還包括一步驟，利用所述振蕩件直接地或間接地驅(qū)動一壓縮器以壓縮氣體。
在一進一步和替換的方法步驟中，所述振蕩件是用來直接或間接地產(chǎn)生電能。
在一進一步和替換的方法步驟中，所述振蕩件是直接或間接地用來使空氣液化的。
在一進一步和替換的方法步驟中，所述振蕩件是用來直接或間接地驅(qū)動一組合的壓縮器和發(fā)電器的。
另一方面，本發(fā)明提供了一種氣體驅(qū)動的機械振蕩器，包括一殼體，多個位于殼體中的膨脹腔室，一包括一所述腔室的可活動壁的振蕩件，振蕩件響應(yīng)腔室中的氣體的輔助膨脹和氣體從腔室中排出而振蕩，還有一控制裝置以將所述振蕩件的振幅從一初始的低振幅改變到一較高的振幅。
一般地，控制裝置包括可變慣性的裝置以在振蕩過程中增加所述振蕩件的慣性。另一種方式是氣體是作為一連串氣體脈沖輸送到腔室中的，所述控制裝置較佳地包括閥門裝置以控制所述輸送到腔室中的所述脈沖序列而增加振幅。
在一尤其好的形式中，其膨脹腔室分別為對置于一有一缸體和位于缸體中的活塞的雙動氣缸裝置的腔室，振蕩件包括所述活塞并具有一安裝在所述氣缸裝置外部的往復的載荷，所述活塞和所述載荷都安裝成一起運動的并較佳地在同一細長的活塞桿上，所述活塞桿有隔開的橫向槽以及可拆換和可定位的閥裝置沿所述活塞桿可移動，所述閥裝置有與一壓縮氣體源連通的通道裝置且同時與所述腔室連通，所述槽可交替地與所述閥裝置中的各個間隔的通道對齊以向雙動氣缸裝置的膨脹腔發(fā)射氣體脈沖而使振蕩件振蕩。
依據(jù)再一種方式，本發(fā)明還提供一交流電源，包括一雙動氣缸裝置，該裝置包括一缸體以及由一活塞和連于其上的、以與缸體一起往復運動的活塞桿組成的活塞組件，一壓縮氣體源，可交替地從壓縮氣體源向活塞的兩側(cè)輸送壓縮氣體以使活塞在缸體中往復運動的閥裝置，活塞桿連接到活塞上并從缸體中伸出，活塞桿上安裝有由活塞的往復運動所驅(qū)動的交流電發(fā)生器。
依據(jù)本發(fā)明的又一個方面，本發(fā)明提供了一壓縮器，由雙動氣缸裝置所構(gòu)成，該裝置包括一缸體以及一由一活塞和連于其上的用于在缸體內(nèi)往復運動的活塞桿活塞組件所組成，一壓縮氣體源，可交替地向活塞的兩側(cè)輸送壓縮氣體以使活塞在缸體中往復運動的閥裝置，活塞桿連到活塞上并從缸體中伸出，活塞桿上裝有用于增加運動的活塞組件的慣性的慣性變化裝置和一由活塞的往復運動所驅(qū)動的氣體壓縮器。
為了較為方便地理解本發(fā)明并說明實際效果，現(xiàn)在對示出本發(fā)明的包括具體應(yīng)用的較佳實施例附圖做出編號，其中

圖1是示出本發(fā)明較佳實施例的氣動機械振蕩器的立體圖；圖2是圖1所示的振蕩器的截面圖，表示由機械和電控制的兩種方案；圖3是應(yīng)用到一交流電發(fā)生器上的本發(fā)明的另一個實施例的截面圖；圖4是一流程圖，表示為使本發(fā)明的一個普通振蕩器獲得穩(wěn)定狀態(tài)的頻率和振幅所采用的控制程序；以及圖5是表示本發(fā)明應(yīng)用到一空氣液化工廠時的示意圖。
參見附圖，首先是參見圖1，其中顯示根據(jù)本發(fā)明所制成的氣動振蕩器10。同時請參見圖2，圖中所示為圖1中的氣動振蕩器10的示意截面圖。圖1例示的振蕩器是一個完全機械裝置，而圖2所示的振蕩器是一個完全由電控制的選擇方案。兩個圖中的主要的機械操作部分在各自的情況下是一樣。
下文的描述將參照圖1和2進行，應(yīng)當理解振蕩器可選擇由機械控制或電控制。另外部件的尺寸將根據(jù)容量而改變。
氣動振蕩器10的主要部件為一發(fā)動機11，具有一殼體12和位于一在缸體12中往復運動的浮動活塞15的兩側(cè)上的一對膨脹腔13和14?；钊b在一從缸體12延伸到一壓縮器17中的活塞桿16上，壓縮器17有一缸體18和一裝在活塞桿16以與活塞15同步移動的活塞19。一空氣貯罐20裝有壓力一般在100psi至300psi之間的壓縮空氣。罐20中的壓縮空氣可由位于罐的進氣方向的壓縮機供給，此壓縮機可由包括電動機，內(nèi)燃機，風力發(fā)動機或類似裝置的各種適當裝置所驅(qū)動。罐20出氣方向的一只閥21控制壓縮空氣從罐20通過一對閥22和23向發(fā)動機11的輸送，其中閥22和23安裝在一調(diào)節(jié)螺桿上并可滑動地位于活塞桿16上。為改變活塞15在缸體12中的振幅可調(diào)節(jié)閥22和23之間的間隙。閥可沿相反的方向移動一段相等的距離?；钊麠U16包括隔開的槽24和25，它們交替地與各閥22和23中的通道對齊而以各自的對齊運動將壓縮氣體脈沖從罐20向缸體12的各腔室發(fā)射。活塞15以由閥22和23之間的間隙所設(shè)定振幅振蕩。閥22和23都安裝在調(diào)節(jié)螺桿26上，這樣它們就可如所需要的那樣移動或分開。
在圖示的實施例中，缸體12包括兩個進氣口27和28以及一個出氣口29。當一股壓縮空氣脈沖進入一個膨脹腔室并移動活塞時，氣體膨脹并冷卻，然后冷的膨脹氣體從出氣口29離開并流到壓縮器17的各個進氣口。
壓縮器17不僅有出自發(fā)動機11的進氣口30和31，而且還有進氣口32和33通過止回閥將空氣從大氣中引入。止回閥也用在其它的入口處，這樣在壓縮貯罐37中的空氣的各個沖程中通過出口35和36的空氣是正向移動的。
在圖1和2的實施例中，有一可變振幅裝置38，它包括一水銀貯罐39，一閥40和一與一罐42連通的水銀輸送管41。罐42是固定連接到活塞桿16上并可與其一起振蕩的。第二個閥43用來將水銀從罐42排出到隨后將水銀回送到貯罐39的泵43中。尤其可取的是，通過在罐42添加水銀，包括活塞桿16和活塞15和19的裝置的振蕩部分的慣性可以加強以克服罐37中的壓力的逐漸增加。裝置將繼續(xù)運作以產(chǎn)生較高的壓力，于是氣體從罐37放出，可將與壓縮器17相連的進氣閥關(guān)閉。這可為活塞提供一個穩(wěn)定的壓力空氣緩沖墊，振蕩器就可以一穩(wěn)定的振幅和頻率往復運動。
在一般的操作過程中，起動時通常用氣缸45和46以對活塞桿16進行初始定位，這樣槽24或25中的一個槽可與各個閥22或23中與其相配的通道對準。這可由人工完成。為進行低振幅的操作閥22和23一起關(guān)閉。然后打開閥21。一旦閥21打開，一個脈沖的壓縮氣體將進入發(fā)動機11的適當腔室，此裝置將開始振蕩直至閥22和23一起關(guān)緊為止。這當然將是一振幅較小的振蕩，但由于輸送到活塞沖程的各端的相同的空氣脈沖的緣故，振蕩器15將以被動的振蕩器形式運作，并因此活塞桿16將能夠移動得比各個沖程中的閥之間的距離遠。由各個沖程中的振幅可以少許增加，閥22和23被逐漸地移開以逐漸地增加活塞15的振蕩振幅，于是在壓縮器17中排出較多的空氣。
當活塞15在缸體12中來回移動時，壓縮器17的活塞19也將來回移動壓縮罐37中的空氣并且壓力將逐漸地增加?；钊?9被驅(qū)動以克服此壓力，因此振蕩裝置將趨于停止。為了使裝置平衡，通過添加水銀而增加振蕩的活塞桿16、活塞15和19的慣性。這是通過打開的閥40逐漸將水銀輸送到系統(tǒng)中以增加其慣性并從而克服可能使裝置停止的壓力而實現(xiàn)的。另一種方式是從罐37排出氣體或阻止氣體注入壓縮器17。
當進入缸體12的空氣是來自罐20的一小股壓縮空氣脈沖通往一較大腔室時，進入腔室的空氣將膨脹和冷卻。因此，發(fā)動機11設(shè)有傳熱葉片47以當發(fā)動機11從大氣中吸收熱量時改善熱傳遞。這可提高裝置效率。
從圖1中可見，利用調(diào)節(jié)螺母26的轉(zhuǎn)動，可移開或一起關(guān)閉閥22和23。在圖2所示的實施例中用一步進電機44來實現(xiàn)這一目的。
由于閥22和23可在活塞桿16上移動，將閥連接到發(fā)動機11和罐20上的軟管最好是韌性的金屬軟管。
現(xiàn)參見圖3，圖中所示為本發(fā)明的第二種實施例，其中類似的標號用于表示類似的結(jié)構(gòu)。此時主要的變化是負載的類別。在圖1和2中負載是壓縮器17，而圖3中負載是采用一銜鐵49的發(fā)生器48。其中銜鐵49也是一個活塞并且負載具體成形為一個發(fā)生器和一個壓縮器。銜鐵49是在各個直流勵磁線圈50和51磁場內(nèi)的已知結(jié)構(gòu)并且其間具有一交流電輸出線圈52以產(chǎn)生交流電的已知結(jié)構(gòu)。在一個通常的例子中產(chǎn)生55周/秒的240伏電壓。
因此在圖3所示實施例中，本發(fā)明可作為一交流電源用作計算機系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定的電源。
如圖2所示，本發(fā)明可由電或機械控制。如圖2中的剖視圖所示，采用電磁閥53和54，并且這些閥可和滑動閥22和23以相同的形式定時操作。為此可用一由計算機處理的控制器55。在圖示的實施例中，控制器55有通感應(yīng)器的輸入和用來改變操作狀況的輸出。此感應(yīng)器包括感應(yīng)罐20和37中的壓力的壓力感應(yīng)器，活塞桿頻率和振幅感應(yīng)器56以及根據(jù)預(yù)定的控制程序開關(guān)各個閥的閥控制器。這種控制程序可根據(jù)應(yīng)用情況而改變。
圖4中示出根據(jù)為一240伏交流電源所用的一般的控制程序的電控制流程圖。首先用一空氣致動器將活塞桿16置于一起始位置而起動發(fā)動機，隨后閥21由電磁閥53和54定時地或在閥22和23的情況下起動閥21，時間要定得使觸發(fā)一小振幅的振蕩。來自感應(yīng)器的所有輸入都被讀取，如振幅和頻率已達到所需的振幅和50赫茲的操作頻率，然后裝置將繼續(xù)循環(huán)，同時讀取輸入。無論何時此裝置變離所需的振幅或頻率，則要對閥定時或做其它調(diào)節(jié)工作。換句話說，在起動時此裝置自動地移動到所需的頻率，并繼續(xù)以50赫茲的頻率操作而產(chǎn)生240伏的電壓。輸送到罐20的壓縮空氣可由一電動機驅(qū)動的壓縮器直接從主電源上輸出，這樣圖3所示的本發(fā)明可被用作一計算機的電源調(diào)節(jié)器。
現(xiàn)參見圖5，圖中所示是本發(fā)明應(yīng)用到一空氣液化工廠的情況。從剖面中可見，由本發(fā)明的一振蕩器所驅(qū)動的壓縮器用來向一換熱器57輸送較熱的壓縮空氣，其中空氣從一銅制蛇管58中流過，然后較冷的空氣流到同軸的換熱器59的內(nèi)管中，隨后到膨脹閥60。在膨脹后，返回的空氣以逆流的空對空換熱關(guān)系流動，這樣當裝置以泵加壓時，空氣沿管61通過返回路線62再循環(huán)，然后返回通過裝置逐漸地冷卻直至空氣在膨脹閥60處液化。液態(tài)空氣貯存在貯罐63中。
雖然已示出了本發(fā)明的許多種專門用途，但也可用于希望在膨脹腔室中利用膨脹空氣以使振蕩件的振蕩做功的任何一般的振蕩裝置中。
雖然在前面的附圖中示出的本發(fā)明由壓縮空氣驅(qū)動，當然它也可以由其它方式驅(qū)動。例如，發(fā)動機11可以是各個膨脹腔室具有一燃料發(fā)射器的內(nèi)燃機，這樣當空氣脈沖在壓力作用下被噴射到膨脹腔室中的同時，燃料脈沖也可被噴射，并在其后較短的時間內(nèi)點燃一火花塞。在另一個實施例中，本發(fā)明可以象一柴油發(fā)動機一樣操作，并為此再次采用噴射壓縮空氣的方式。在各種情況下用此方式的發(fā)動機可避免對兩沖程發(fā)動機吸氣沖程那樣的需要。
雖然上文中已結(jié)合圖例對本發(fā)明進行說明，但是對于本技術(shù)領(lǐng)域的熟練人員來說在不脫離如所附權(quán)利要求書所提出的本發(fā)明的主要精神和范圍的條件下對其作出許多變化和變型是顯而易見的。
權(quán)利要求
1.一種將膨脹氣體的能量轉(zhuǎn)換成機械功的方法，包括以下步驟(i)將一系列正壓下的氣體脈沖施加到一振幅可變的機械振蕩器的輔助膨脹腔室中以使其振蕩元件振蕩而使受載情況下的膨脹氣體做功；(ii)繼續(xù)將所述脈沖施加到所述腔室中，同時逐漸增加所述振蕩元件的振幅直至達到所需的振幅；以及(iii)繼續(xù)將所述脈沖施加到所述腔室中，同時保持所述所需的振幅。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括一個逐漸增加所述振蕩元件的慣性，同時繼續(xù)將所述脈沖施加到所述腔室的步驟。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，還包括另一個用所述振蕩元件直接或間接驅(qū)動一壓縮機壓縮氣體的步驟。
4.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，另一種可替換的方法步驟中，所述振蕩元件用來直接或間接地產(chǎn)生電能。
5.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，另一種可替換的方法步驟中，所述振蕩元件是直接或間接地用于液化空氣的。
6.一種氣動的機械振蕩器，包括一殼體，多個位于殼體中的膨脹腔室，包括所述腔室的可活動壁的振蕩元件，振蕩元件用來響應(yīng)腔室中氣體的輔助膨脹和從腔室中氣體排出而振蕩，并且還具有可將所述振蕩元件的振幅從初始的低振幅改變到較高振幅的控制裝置。
7.如權(quán)利要求6所述的振蕩器，其特征在于，所述控制裝置包括用于在其振蕩過程中增加所述振蕩元件的慣性的可變慣性裝置。
8.如權(quán)利要求6或7所述的振蕩器，其特征在于，所述控制裝置包括控制為提高振幅而輸送到腔室中的所述脈沖的順序的閥控制裝置。
9.如權(quán)利要求6或7所述的振蕩器，其特征在于，膨脹腔室分別為相對的有一缸體和位于缸體內(nèi)的活塞的雙動氣缸裝置的腔室，振蕩元件包括所述活塞并具有安裝在所述氣缸裝置外部的可往復運動的負載，所述活塞和所述負載安裝成可一起運動并較好地位于同一根細長的活塞桿上，所述活塞桿有隔開的橫向槽并且在軸向可浮動，還有沿所述活塞桿可移動的可定位的閥，所述閥裝置有與壓縮氣體源連通、且同時與所述腔室連通的通道裝置，所述槽可交替地與所述閥裝置中的各個隔開的通道對準以將氣體脈沖輸送到所述雙動氣缸裝置的膨脹腔室從而使振蕩元件振蕩。
10.一交流電源，由一雙動氣缸裝置組成，所述氣缸包括一缸體和一由一活塞和連到其上的活塞桿以在缸體中往復運動的活塞組件組成，一壓縮空氣源，以及交替地將壓縮空氣從壓縮空氣源輸送到活塞兩側(cè)以使活塞在缸體中往復運動的閥裝置，活塞桿被連到活塞上并從缸體中伸出，活塞桿上裝有由活塞的往復運動所述驅(qū)動的交流電發(fā)生器。
11.一壓縮器，包括一雙動氣缸裝置，包括一缸體和由一活塞和連到其上、以在缸體中往復運動的活塞桿組成的活塞組件，一壓縮空氣源，以及交替地將壓縮空氣從壓縮空氣源輸送向活塞兩側(cè)以使之在缸體中往復運動的閥裝置，活塞桿連到活塞上并從缸體中伸出，活塞桿上裝有用來增加移動的活塞組件的慣性的可變慣性裝置，以及一由活塞的往復運動所驅(qū)動的空氣壓縮機。
12.一空氣液化設(shè)備，包括一壓縮機，由一雙動氣缸裝置組成，包括一缸體和一由一活塞和一連到其上以在缸體中往復運動的活塞桿的活塞組件組成，一壓縮空氣源，以及交替地將壓縮空氣從壓縮空氣源輸送到活塞兩側(cè)以使活塞在缸體中往復運動的閥裝置；活塞桿連到活塞上并從缸體中伸出，活塞桿上裝有用來增加移動的活塞組件的慣性的可變慣性裝置，以及一由活塞的往復運動驅(qū)動的壓縮機，一接受來自壓縮機的空氣的換熱器，空氣以一逆向的空對空換熱關(guān)系流過換器，并使所述空氣循環(huán)連續(xù)地通過所述壓縮機和換熱器以使空氣液化。
全文摘要
一種氣動振蕩器(10)，由一具有一缸體(12)和一對位于以在缸體(12)內(nèi)往復運動的浮動活塞(15)兩側(cè)上的膨脹腔室(13，14)的發(fā)動機(11)所組成?；钊?15)安裝在一延伸過缸體(12)并進入壓縮器(17)的活塞桿(16)上。壓縮空氣從一貯罐(20)通過一對安裝在調(diào)節(jié)螺桿上并可滑動地設(shè)于活塞桿(16)上的閥(22，23)輸送到發(fā)動機(11)。閥(22，23)之間的間隙可調(diào)節(jié)以改變活塞(15)在缸體(12)內(nèi)的振幅?；钊麠U(16)包括交替地與各個閥(22，23)內(nèi)的通道對準的隔開的槽(24，25)以將一個脈沖的壓縮空氣輸送到缸體(12)的各個腔室(13，14)。向固定到活塞桿(16)上的貯罐(42)加入水銀或從中排出而改變振蕩器(10)的慣性。
文檔編號F25J1/00GK1130413SQ95190621
公開日1996年9月4日 申請日期1995年5月29日 優(yōu)先權(quán)日1994年5月31日
發(fā)明者A·M·漢森 申請人:A·M·漢森