[发明专利]用于自由活塞式机器的内部位置和极限传感器

说明书

背景技术

本发明涉及一种自由活塞式斯特林发动机（free-piston stirling engine）、冷却器和热泵，并且更具体地涉及一种用于感测这种自由活塞式机器的往复式动力活塞的位置的位置传感器。该传感器具有的优点在于，其仅是不显著地增加了自由活塞式机器的长度。此外，其具有的优点在于，提供电输出信号的传感器的线圈部分可以安装在自由活塞式机器的压力容器头部的外部，从而其不需要任何穿过压力容器供电的导电体。

本申请要求2010年2月19日提交的临时专利申请序列号61/305986的优先权，将上述临时专利申请通过引证结合到本申请中。此外将美国专利4,667,158、4866378、以及4,912,409通过引证结合到本申请中。

自由活塞式斯特林机器是现有技术中众所周知的热机械振荡器。自由活塞式斯特林机器提供了多个优点，包括控制它们的频率、相位和振幅的能力，相对于它们的周围环境密封的能力，以及它们不需要移动部件之间的机械流体密封来防止工作气体与润滑油的混合。通常，自由活塞式斯特林机器包括在汽缸中进行往复运动并附接至弹簧以形成共振系统的动力活塞。当斯特林机器作为发动机而工作时，动力活塞还附接至一载荷，当斯特林机器作为热泵或冷却器而工作时，动力活塞还附接至用于往复地驱动活塞的往复式原动机。在自由活塞式斯特林机器中，活塞和置换器（如果有的话）未通过将它们的往复运动限制为固定冲程的机械连接件（例如连杆和曲轴）彼此连接或者连接至一载荷或原动机。而是，振荡活塞的冲程自由地改变。

自由活塞式机器典型地设计有具有标称设计冲程的活塞。然而，当机器遇到变化的工作参数（诸如变化的载荷或者变化的工作温度）时，由于其冲程不受机械连接件限制，活塞冲程偏离标称设计冲程。如果工作冲程充分地增加，则活塞可能与机器的其它机械结构（诸如置换器或者固定在活塞在其中进行往复运动的汽缸的轴向相对端的部件）碰撞。

由于冲程根据工作参数和碰撞可能性而变化，自由活塞式机器通常具有电子控制系统。通过该控制系统感测并使用的最重要的参数之一是活塞的线性位置。例如，有时期望感测当活塞通过其循环运动而进行往复运动时的活塞的瞬时线性位置或平移和/或期望感测活塞往复运动的相对端极限。

上面所引用的三个属于罗伯特·W·雷德利克的美国专利示出了具有细长的线圈和在线圈中内外进行往复运动的管（tube）的位置传感器。线圈的电感且因此阻抗作为管在线圈中的插入长度的函数而减小。尽管雷德利克传感器是有效的，但是其在斯特林机器内占据了数量级至少是活塞冲程的两倍的长度。原因是，为了沿着整个冲程感测位置，线圈和管都必须具有至少等于冲程的长度。管必须能够在从线圈中抽出的最大限度位置与插入到线圈中的最大限度位置之间进行往复运动，并且最大限度抽出与最大限度插入之间的距离必须至少等于冲程。因此，整个雷德利克传感器的长度必须至少是最大限度抽出位置处的冲程长度的两倍。除了雷德利克传感器的长度以外，斯特林机器的设计必须为了将线圈和往复式管都定位在机器中而提供。因此，雷德利克传感器为自由活塞式斯特林机器增加了体积和长度要求。此外，因为雷德利克传感器的线圈必须位于斯特林机器的密封的压力容器内，所以从线圈开始的导电体导线必须穿过压力容器壁延伸以连接至控制电路。这减小了机器的可靠性，因为必须密封这种电馈通以承受高压。密封提供了附加的故障风险。

本发明的一个目的和特征是提供一种仅是极小地增加自由活塞式斯特林机器的长度和体积的位置传感器。

本发明的另一个目的和特征是提供不需要穿过压力容器延伸的导电体导线（lead）的本发明的一个实施方式。

发明内容

本发明是一种用于感测自由活塞式斯特林机器中的往复式自由活塞的平移或位置的传感器。如本领域中众所周知的，斯特林机器具有用于容纳工作气体的外部压力容器以及可沿着往复运动的轴线以标称设计最大冲程在压力容器内的汽缸中自由地进行往复运动的至少一个动力活塞。本发明具有与汽缸共轴地安装至活塞的一端面并与活塞一起进行往复运动的盘状件（disk）。盘状件包括围绕由导电材料形成的其外部周缘的边缘，并且优选地完全地由导电材料形成。线圈与汽缸共轴地缠绕，在外部与盘状件的外部周缘隔开并且相对于压力容器安装在固定位置中，优选地安装在压力容器的外部上。盘状件在其轴向方向上比线圈短很多。优选地，线圈具有至少大致等于活塞的标称设计最大冲程的长度并且大致以标称设计最大冲程的中心为中心。具有线圈的两个优选实施方式，分布式线圈和端部集中式线圈。

附图说明