專利名稱：諧振發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及諧振發(fā)電系統(tǒng)，包括發(fā)電的諧振系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)、以及驅(qū)動該諧振結(jié)構(gòu)的脈動燃燒裝置。
背景技術(shù)：
在機械構(gòu)造中正發(fā)生著革命性的改變，其中產(chǎn)生動力功但不進(jìn)行計算的經(jīng)典機械與只進(jìn)行計算的經(jīng)典系統(tǒng)正結(jié)合而形成以日趨自動化的方式執(zhí)行經(jīng)過計算的功的系統(tǒng)。交通工具、軍事系統(tǒng)、自動機械、對合成環(huán)境的接口、消費產(chǎn)品、以及其它信息驅(qū)動的移動機械，都是利用數(shù)字控制以增加性能和靈活性的系統(tǒng)的示例，所述系統(tǒng)在閉合回路中運行日益增多的致動器和傳感器。為保持這些新型機械的改進(jìn)速度，需要平衡發(fā)展致動器、傳感器和計算機、以及用于制造它們的材料、結(jié)構(gòu)和工藝。
一個幾乎沒有受到關(guān)注的困難問題是致動的問題，尤其當(dāng)使用具有大的位移和效力性能的緊湊集成高功率密度致動器時。所述困難在于這樣的事實，集成致動系統(tǒng)的設(shè)計是一個復(fù)雜的問題，其需要同時滿足多個不一致的約束。實際上，當(dāng)將致動器看成子系統(tǒng)時，明顯地，對于形成集成致動子系統(tǒng)的三個基本要素，即1)能源；2)能量調(diào)節(jié)系統(tǒng)；以及3)輸出裝置，需要改進(jìn)的或全新的方法。
例如，在智能材料致動器的情況中，如壓電或磁致伸縮致動器，效率、緊湊能源、功率調(diào)節(jié)電子儀器以及運動放大機械的要求，使可達(dá)到的系統(tǒng)水平的功率密度(力-位移-帶寬密度)顯著小于人們通過只單獨研究智能材料的固有功率密度而確信的功率密度。

發(fā)明內(nèi)容
已被認(rèn)識到的是，發(fā)展能源或發(fā)電系統(tǒng)將是有利的。另外，已被認(rèn)識到的是，發(fā)展高效緊湊的發(fā)電系統(tǒng)將是有利的。
本發(fā)明提供一種諧振發(fā)電系統(tǒng)，其包括諧振器、能源、以及發(fā)電機。諧振器在諧振元件中提供諧振移動。能源可操作地連接諧振系統(tǒng)以保持諧振元件的諧振移動。發(fā)電機可操作地連接諧振系統(tǒng)并受其驅(qū)動，以根據(jù)諧振移動產(chǎn)生電功率。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，諧振器可以包括諧振結(jié)構(gòu)，如質(zhì)塊和彈簧。彈性元件的一端可連接底座，其另一端可連接質(zhì)塊。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，能源可以包括脈動燃燒裝置。能源或脈動燃燒裝置可包括具有混合室和排氣孔的長燃燒管。燃料源可連接燃燒管的混合室，以給燃燒管提供燃料?？稍谌紵苤邪惭b點火器以點燃燃料。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，可通過活塞/汽缸裝置使燃燒管連接諧振器。汽缸可連接燃燒管的排氣孔，而活塞可以可往復(fù)移動地安裝于汽缸中，并由排出氣體驅(qū)動。推桿可連接在活塞和諧振器之間，以將活塞的移動傳遞給諧振器。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，燃燒管可配置為相應(yīng)于諧振器的諧振頻率產(chǎn)生排出排氣孔的脈動燃燒氣體。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，發(fā)電機可以包括磁鐵和線圈。其一連接諧振器，配置為用于沿移動路徑的諧振移動，其另一鄰近移動路徑安裝。這樣，磁鐵和線圈可相對于彼此可移動地安裝，從而，磁鐵的磁場可以在線圈中感應(yīng)電流。
下文的詳細(xì)描述將結(jié)合附圖給出本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點，所述附圖通過示例一起說明本發(fā)明的特征。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的諧振發(fā)電系統(tǒng)的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的諧振發(fā)電系統(tǒng)的能源的示意圖；
圖3是圖2的能源的運行示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的諧振發(fā)電系統(tǒng)的諧振器的側(cè)視圖；圖5是圖4的諧振器的端視圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的具有不同直徑的燃燒管的陣列的端視圖；以及圖7是根據(jù)本發(fā)明的具有不同長度的燃燒管的陣列的截面圖。
具體實施例方式
為增進(jìn)對本發(fā)明原理的理解，這里將參考附圖示出的示例性的實施例，并對該實施例進(jìn)行詳細(xì)描述。但是應(yīng)該理解，并不是為了由此限制本發(fā)明的范圍。相關(guān)領(lǐng)域的得到本公開文本的技術(shù)人員可能進(jìn)行的任何對本文說明的發(fā)明特征的變化和進(jìn)一步修改、任何對本文說明的發(fā)明原理的其它應(yīng)用都將被認(rèn)為在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的用于發(fā)電的諧振發(fā)電系統(tǒng)，一般以10標(biāo)示。發(fā)電是可以受益于該系統(tǒng)10的使用的范圍中的一例。可將該系統(tǒng)10或從中產(chǎn)生的電用于上述緊湊、集成、高功率密度致動器。諧振發(fā)電系統(tǒng)10包括諧振器14、能源18、以及發(fā)電機22。
諧振器14在諧振元件中提供諧振移動。在2000年7月28日提交的美國專利申請09/627,852中公開了諧振結(jié)構(gòu)的一些方面，其在此引入作為參考。諧振器14，或諧振結(jié)構(gòu)，可以包括質(zhì)塊和彈性元件，它們在動能和勢能狀態(tài)之間、或最大和最小動能和勢能之間交替。該諧振結(jié)構(gòu)可以在很長一段時間內(nèi)或者連續(xù)地以如摩擦力等的最小損耗進(jìn)行諧振或振蕩。另外，諧振器損耗到達(dá)發(fā)電機的能量。
諧振器14、或諧振結(jié)構(gòu)，包括移動主體、具有質(zhì)量為m的組件、元件或質(zhì)塊26。諧振器14或質(zhì)塊26如箭頭38所指示的，沿移動路徑往復(fù)諧振或振蕩。諧振器14或諧振結(jié)構(gòu)還包括能量存儲和釋放系統(tǒng)，例如彈性元件42或懸臂梁。彈性元件42折曲或彎曲以存儲和釋放能量。從而，質(zhì)塊26和彈性元件42形成諧振器14或諧振結(jié)構(gòu)，其進(jìn)行諧振或振蕩38。當(dāng)諧振器14或質(zhì)塊26往復(fù)振蕩時，其在運動的最左范圍從具有最大勢能(和最小動能)的位置開始移動，當(dāng)其通過運動的中間范圍時，其通過具有最大動能(和最小勢能)的位置，在運動的最右范圍到達(dá)具有最大勢能(和最小動能)的位置。
諧振器14或諧振結(jié)構(gòu)可以在很長一段時間內(nèi)或者連續(xù)地以最小損耗進(jìn)行諧振或振蕩。這種諧振結(jié)構(gòu)通常會受到如摩擦力等的損耗，其最終使諧振結(jié)構(gòu)停止諧振。從而，一般以18標(biāo)示的能源可操作地連接諧振器，以保持諧振或振蕩運動。能源18在諧振器14或質(zhì)塊26上施力以保持諧振。
參考圖2，能源18可以包括脈動線性燃燒器46，以便為致動提供熱氣，或為諧振器14提供驅(qū)動力。能源18或脈動線性燃燒器46可以包括具有混合室54和排氣孔58的長燃燒管50。燃料源可以連接管50或混合室54，并且可以包括燃料源64和氧化劑源68。燃料源，或者燃料和氧化劑，給燃燒管50提供燃料。在燃燒管50中安裝點火器72以點燃燃料。
在1999年11月12日提交的美國專利申請09/439,473中公開了脈動線性燃燒器的一些方面，其在此引入作為參考。燃料源64，和/或氧化劑源68，可以包括用于容納燃料和氧化劑的儲蓄器或容器，和連接在容器和燃燒管50之間的、用于給燃燒管輸送燃料的燃料輸送線。閥門76可安裝在燃料源和燃燒管50之間或者連接燃料輸送線，以控制燃料或氧化劑的流量。在操作中，脈動線性燃燒器46通過燃料輸送線將燃料從燃料源輸送到燃燒管50。選定燃料和/或氧化劑使其不發(fā)生燃燒，直到它們在管50或混合室54中變成混合燃料。
參考圖3，管50將逐漸充滿混合燃料，所述燃料從靠近混合室54的入口端填充到排氣孔58?；旌先剂蠈⒉槐稽c燃，直到管50基本裝滿并且混合燃料到達(dá)點火器72。一旦由點火器72點燃，混合燃料不能瞬間完全燃燒。可以選擇燃燒器46的參數(shù)，使混合燃料首先在點火器72的靠近點火點處燃燒，隨后，通過管50往回燃燒混合燃料，直到燃燒到達(dá)熄火端。一旦到達(dá)熄火端，由于選定未混合燃料不發(fā)生燃燒直到在它們混合之后為止，因此，一旦燃燒過程已燃盡管50中的全部混合燃料，燃燒過程將在熄火端自熄。其間，當(dāng)混合燃料正在燃燒時，來自燃燒過程的膨脹的廢氣將被推出管50，以便致動可致動的物體，如下所述，或者保持諧振器14的諧振。
另外，參考圖6，可以使用燃燒管50的陣列77，所述管可具有相同或多種直徑，以允許產(chǎn)生所謂的點火分布(profile)。通過控制對陣列77中各管50的點火、燃料的流動速率、以及改變點火的順序時間，可以產(chǎn)生點火分布。例如，一種點火分布可以為，只在位于陣列的外圍的管中點火或點燃。另一種分布可以為，首先點燃外圍的管，然后向陣列中心順序點燃下一個靠里的外圍層的管，并且繼續(xù)點燃逐層直至到達(dá)中心管。可以設(shè)想多種組合，例如只同時點燃頂部，或者只點燃最大直徑的管。另外，參考圖7，在陣列79中可以使用可變長度的管78。從而，通過不僅使用不同直徑的管，還使用不同長度的管，或者兩種變量的組合，可以實現(xiàn)不同的點火分布。因此，通過控制具有各種長度和直徑的各種陣列設(shè)計的點火分布，可以實現(xiàn)不同的壓力或聲波序列。可選定點火分布以保持希望的諧振結(jié)構(gòu)或諧振器的諧振。
參考圖4和5，發(fā)電機22可以可操作地連接諧振器14并受其驅(qū)動，以根據(jù)諧振移動產(chǎn)生電功率。發(fā)電機22可包括相對于彼此可移動地安裝的磁鐵80和線圈84，從而，磁鐵80的磁場可以在線圈84中感應(yīng)電流，所述發(fā)電機可按照所需應(yīng)用，如用于微型機械系統(tǒng)中。線圈84可連接諧振器14，并配置為用于隨質(zhì)塊沿移動路徑的諧振移動。線圈84可連接彈性元件或懸臂梁42，并可以形成或幫助形成質(zhì)塊26。磁鐵80能夠以希望用于電磁相互作用的距離鄰近線圈84的移動路徑安裝。當(dāng)然應(yīng)該理解，磁鐵80和線圈84的位置可以互換，使磁鐵安裝于諧振器上，并使線圈鄰近磁鐵的移動路徑安裝。導(dǎo)線86可連接在線圈84和輸出裝置之間，以將系統(tǒng)10電連接到希望的輸出裝置。輸出裝置可以包括各種電子儀器以進(jìn)一步調(diào)節(jié)系統(tǒng)10的電輸出。
再參考圖1，能源18或脈動線性燃燒器46能夠可操作地連接諧振器14。活塞/汽缸裝置88可連接燃燒管50以接收從中排出的氣體?；钊?汽缸裝置88可以包括連接燃燒管50的汽缸90，和安裝于汽缸90中的可移動或往復(fù)移動的活塞94。如上所述，當(dāng)混合燃料正在燃燒時，來自燃燒過程的膨脹的廢氣將被推出管50并進(jìn)入汽缸90，從而增大汽缸90中的壓力。汽缸90的增壓可用于驅(qū)動活塞94。在汽缸90中接收來自燃燒管50的廢氣或燃燒氣體，其對活塞94施力，從而在汽缸90內(nèi)移動活塞94。可在汽缸90中形成排氣孔98，以便從汽缸90中排出廢氣或燃燒氣體?？啥ㄎ豢?8，使得活塞94在一位置阻塞或覆蓋孔98、但是在不同的第二位置露出孔98。從而，氣體可將活塞94驅(qū)動到第二位置，然后從汽缸泄出，從而允許活塞94返回到第一位置。
推桿102可以連接在能源18和諧振器14之間。推桿可以連接活塞/汽缸裝置88的活塞94，并連接諧振器14的彈性元件42或懸臂梁，以便將活塞94的移動傳遞給諧振器14。
另外，可以安置傳感器106以檢測諧振器14或質(zhì)塊26的諧振或振蕩移動，并產(chǎn)生傳感器信號?？刂破?10可以連接能源18，并可以響應(yīng)傳感器信號以控制能源18，從而保持或控制諧振的振幅和頻率。如圖2所示，控制器110可控制閥門76以控制脈動線性燃燒器46的運行。另外，可以使用控制器110實現(xiàn)特定的點火分布，如對點火器72的排序、以及通過排序閥門76使其適當(dāng)?shù)亻_和關(guān)來調(diào)節(jié)燃料進(jìn)入各管的流量?？刂破?10可包括具有適當(dāng)?shù)目刹僮鞯某绦虻挠嬎銠C、或者另一種電氣或機械硬件?？刂破?10可在各組件之間提供反饋回路。
可以使用能源18或脈動線性燃燒器46產(chǎn)生脈動燃燒氣體排出燃燒管50的排氣孔54。燃燒管46可以配置為，以相應(yīng)于諧振器14的諧振頻率的速率產(chǎn)生氣體。優(yōu)選地，以在大約50Hz到2KHz之間的頻率，能源14或燃燒器46產(chǎn)生氣體，以及諧振器14諧振。
另外，可以在微型機械、或微型致動器中使用本發(fā)明的發(fā)電機10。從而，發(fā)電機10可以相對為小型。例如，燃燒管最好具有小于大約1100微米的直徑。
如上所述，上述發(fā)電系統(tǒng)10可以用于緊湊、集成致動系統(tǒng)。另外，該能量系統(tǒng)10或緊湊集成致動系統(tǒng)可以引入源于生物系統(tǒng)的設(shè)計思想，并具有有機的體系結(jié)構(gòu)，即，高度互連的傳感器、致動器和控制器。
通過基于采用以并聯(lián)和/或串聯(lián)的組合安排的大量元件的體系結(jié)構(gòu)，生物系統(tǒng)實現(xiàn)靈敏的特性，以通過內(nèi)部特征實現(xiàn)希望的功能能力、以及反饋控制。這些系統(tǒng)使用多個配置為最大化效率并實現(xiàn)冗余的小元件。通過并聯(lián)或串聯(lián)地增加或補充元件，并通過調(diào)節(jié)各種元件作用的頻率，來控制希望的比例輸出。從而在源處調(diào)節(jié)功率，而不是通過如常規(guī)系統(tǒng)中的消耗性過程。合并小元件的帶寬，以得到大元件的能力，而同時保持用于精密任務(wù)的靈敏性。生物系統(tǒng)還利用大的表面積對體積比，實現(xiàn)大的輸送過程通量和帶寬，而保持小的梯度。
因此，該緊湊集成致動系統(tǒng)可由模塊化的能量系統(tǒng)10和輸出裝置組成，所述致動系統(tǒng)1)可被組合以便在高帶寬下產(chǎn)生受控比例輸出作用(如，大壓力脈沖或高的熱量產(chǎn)生)；2)允許調(diào)節(jié)在源處直接釋放的能量，從而顯著減少與第一階段的能量轉(zhuǎn)換相關(guān)的連續(xù)運行的損耗；3)使用與液體或氣體燃料相關(guān)聯(lián)的高能量密度，以實現(xiàn)高的容積和重量效率。
應(yīng)該理解，諧振結(jié)構(gòu)可以是任何形狀，并可以具有任何種移動路徑，如線形、圓形、轉(zhuǎn)動式等。另外，如上所述的系統(tǒng)可以無諧振運行。這種無諧振運行可能效率更低，但是具有其它優(yōu)點，如恒定位移。因此，如上所述的這種結(jié)構(gòu)可以在非理想、無諧振條件下運行。
需要理解的是，上述裝置只是對本發(fā)明特征的應(yīng)用的示例性說明。在不偏離本發(fā)明精神和范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以設(shè)計多種修改和替代裝置，并且所附權(quán)利要求書旨在覆蓋這些修改和替代裝置。從而，盡管結(jié)合目前被確認(rèn)為本發(fā)明的最實用和優(yōu)選的實施例，特別和詳盡地在附圖和上述完整描述中示出了本發(fā)明，但是，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員將顯而易見的是，在不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書給出的原理和構(gòu)思的前提下，可以進(jìn)行多種修改、組合和應(yīng)用，其中，所述修改包括，但不限于，尺寸、材料、形狀、形式、功能以及運行方式的改變。
權(quán)利要求
1.一種諧振發(fā)電系統(tǒng)，包括a)諧振器，配置為在諧振元件中提供諧振移動；b)能源，可操作地連接諧振器，以支持諧振元件的諧振移動；以及c)發(fā)電機，可操作地連接諧振器并受其驅(qū)動，配置為根據(jù)諧振移動產(chǎn)生電功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中諧振器包括a)底座；b)彈性元件，其一端連接底座；以及c)質(zhì)塊，連接彈性元件的另一端，配置為用于相對于底座的諧振移動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中能源包括a)長燃燒管，具有混合室和排氣孔；b)燃料源，連接燃燒管的混合室，配置為給燃燒管提供燃料；以及c)點火器，位于燃燒管中，配置為點燃燃料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的系統(tǒng)，還包括a)汽缸，連接燃燒管的排氣孔；b)活塞，可往復(fù)移動地安裝于汽缸中；以及c)推桿，連接在活塞和諧振器之間，配置為將活塞的移動傳遞給諧振器。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中燃燒管配置為相應(yīng)于諧振器的諧振頻率產(chǎn)生排出排氣孔的脈動燃燒氣體。
6.根據(jù)權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中燃燒管具有小于大約1100微米的直徑。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中發(fā)電機包括磁鐵和線圈，其一連接諧振器，并配置為用于沿移動路徑的諧振移動，其另一鄰近移動路徑的固定位置安裝，磁鐵和線圈相對于彼此可移動地安裝，使得磁鐵的磁場可以在線圈中感應(yīng)電流。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中諧振器包括a)底座；b)彈性元件，其一端連接底座；以及c)質(zhì)塊，連接彈性元件的另一端，配置為用于相對于底座的諧振移動；以及其中能源包括d)長燃燒管，具有混合室和排氣孔；e)燃料源，連接燃燒管的混合室，配置為給燃燒管提供燃料；以及f)點火器，安裝于燃燒管中，配置為點燃燃料。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中諧振器以在大約50Hz到2KHz之間的頻率諧振。
10.一種諧振發(fā)電系統(tǒng)，包括a)諧振系統(tǒng)，配置為在諧振元件中提供諧振移動；b)燃燒管，可操作地連接諧振系統(tǒng)，配置為產(chǎn)生脈動燃燒氣體，以支持諧振系統(tǒng)的諧振移動；以及c)磁鐵和線圈，其一連接諧振系統(tǒng)，配置為用于沿移動路徑的諧振移動，其另一鄰近移動路徑的固定位置安裝，磁鐵和線圈相對于彼此可移動地安裝，使得磁鐵的磁場可以在線圈中感應(yīng)電流。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中諧振系統(tǒng)包括a)底座；b)彈性元件，其一端連接底座；以及c)質(zhì)塊，連接彈性元件的另一端，配置為用于相對于底座的諧振移動。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，還包括a)汽缸，連接燃燒管的排氣孔；b)活塞，可往復(fù)移動地安裝于汽缸中；以及c)推桿，連接在活塞和諧振系統(tǒng)之間，配置為將活塞的移動傳遞給諧振系統(tǒng)。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中燃燒管配置為相應(yīng)于諧振系統(tǒng)的諧振頻率產(chǎn)生排出排氣孔的脈動燃燒氣體。
14.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中諧振器以在大約50Hz到2KHz之間的頻率諧振。
15.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中燃燒管具有小于大約1100微米的直徑。
16.一種發(fā)電系統(tǒng)，包括a)諧振結(jié)構(gòu)，配置為用于諧振移動，該諧振結(jié)構(gòu)包括1)底座；2)彈性元件，其一端連接底座；以及3)質(zhì)塊，連接彈性元件的另一端，配置為用于相對于底座的諧振移動；b)能源，可操作地連接諧振結(jié)構(gòu)，以支持諧振移動，該能源包括1)長燃燒管，具有混合室和排氣孔；2)燃料源，連接燃燒管的混合室，配置為給燃燒管提供燃料；以及3)點火器，安裝于燃燒管中，配置為點燃燃料；以及c)發(fā)電機，可操作地連接諧振結(jié)構(gòu)并受其驅(qū)動，配置為通過諧振移動發(fā)電。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的系統(tǒng)，其中發(fā)電機包括磁鐵和線圈，其一連接諧振結(jié)構(gòu)，配置為用于沿移動路徑的諧振移動，其另一鄰近移動路徑的固定位置安裝，磁鐵和線圈相對于彼此可移動地安裝，從而磁鐵的磁場可在線圈中感應(yīng)電流。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的系統(tǒng)，其中諧振器以在大約50Hz到2KHz之間的頻率諧振。
19.根據(jù)權(quán)利要求16的系統(tǒng)，其中燃燒管具有小于大約1100微米的直徑。
全文摘要
一種諧振發(fā)電系統(tǒng)(10)，包括諧振器(14)、能源(18)、以及發(fā)電機(22)。諧振器(14)在諧振元件中提供諧振移動。諧振器(14)可以包括質(zhì)塊(26)和彈性元件(42)。能源(18)可操作地連接諧振器(14)，以保持諧振元件的諧振移動。能源可以是脈動線性燃燒器(46)。發(fā)電機(22)可操作地連接諧振器(14)并受其驅(qū)動，以通過諧振移動產(chǎn)生電功率。
文檔編號F04B19/00GK1639959SQ03804794
公開日2005年7月13日 申請日期2003年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月28日
發(fā)明者S·C·雅各布森 申請人:薩科斯公司