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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung für eine Maschine
mit äußerer Verbrennung,
wie etwa einen Stirlingmotor.
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Bei
Stirlingmotoren ist ein elektrischer Heizer, der eine Batterie als
Stromquelle verwendet, oder ein Brenner zum Verbrennen von Brennstoff
als Heizvorrichtung zum Erhitzen eines Heizabschnitts verwendet
worden, d. h. einer Expansionskammer des Stirlingmotors.
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Im Übrigen ist
für einen
relativ klein gemessenen Stirlingmotor ein elektrischer Heizer als
Heizvorrichtung geeignet, weil eine Energiedichte der vorhandenen
Batterie, die als Stromquelle für
die elektrische Heizung verwendet wird, in der Größenordnung von
etwa 50 bis 100 wh/kg liegt; jedoch ist der elektrische Heizer nicht
in der Lage, einen langzeitigen Betrieb des Stirlingmotors zu gewährleisten.
Andererseits ist für
einen groß bemessenen
Stirlingmotor ein Brenner geeignet, weil er eine große Wärmemenge
erzeugen kann; jedoch ist der Brenner für einen klein bemessenen Stirlingmotor
im Hinblick auf die Stabilisierung der Verbrennung in einem Steuerungszustand
mit einer geringen Wärmemenge
und der Eigenschaft von Abgas ungeeignet.
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Die
JP-A-08296501 offenbart
eine Heizvorrichtung für
eine Maschine mit äußerer Verbrennung gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Im
Hinblick auf das Vorstehende ist die vorliegende Erfindung durchgeführt worden,
und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Heizvorrichtung
für eine
Maschine mit äußerer Verbrennung
vorzusehen, die in der Lage ist, die Stabilisierung der Verbrennung
in einem Steuerungszustand mit relativ geringer Wärmemenge
und der Eigenschaft von Abgas zu stabilisieren und einen langzeitigen
Betrieb der Maschine mit äußerer Verbrennung zu
realisieren.
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Zur
Lösung
der obigen Aufgabe wird gemäß einem
ersten Merkmal der vorliegenden Erfindung eine Heizvorrichtung für eine Maschine
mit äußerer Verbrennung
angegeben, enthaltend: ein Brennergehäuse, das so vorgesehen ist,
dass es einen Heizabschnitt einer Maschine mit äußerer Verbrennung umgibt; einen
Brennstoffluftmischer, der am einen Ende des Brennergehäuses vorgesehen
ist, sowie ein Auslassrohr, das am anderen Ende des Brennergehäuses vorgesehen
ist; und einen Oxydationskatalysator, der in dem Brennergehäuse angeordnet
ist, um die Verbrennung eines Brennstoffluftgemischs aus Brennstoff
und Luft, das durch den Brennstoffluftmischer zugeführt wird,
zu beschleunigen, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennergehäuse mit
dem Oxydationskatalysator gefüllt
ist.
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Es
ist anzumerken, dass die Maschine mit äußerer Verbrennung und der Heizabschnitt
jeweils einem Stirlingmotor E und einer Expansionskammer 11 in
einer Ausführung
der vorliegenden Erfindung entsprechen, die später beschrieben wird.
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Da
mit diesem ersten Merkmal die Katalysator-Heizvorrichtung angewendet
wird, ist es möglich, eine
kontinuierliche Verbrennung in einem Steuerungszustand mit einer
relativ geringen Wärmemenge
zu realisieren, und daher den Heizabschnitt der Maschine mit äußerer Verbrennung
stabil zu erhitzen. Da ferner die kontinuierliche Verbrennung durch Verwendung
der Katalysator-Heizvorrichtung die Abgaseigenschaften verbessert
und das Auftreten von Verbrennungsschwingungen eliminiert, ist es
möglich,
die klein bemessene Maschine mit äußerer Verbrennung über eine
lange Zeit komfortabel zu betreiben.
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Gemäß einem
zweiten Merkmal der vorliegenden Erfindung, zusätzlich zum ersten Merkmal, ist
der Oxidationskatalysator an einer Außenfläche des in dem Brennergehäuse angeordneten
Heizabschnitts angebracht.
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Da
mit dem zweiten Merkmal die Wärmeübertragung
von dem Katalysator zu dem Heizabschnitt der Maschine mit äußerer Verbrennung
verbessert wird, ist es möglich,
den thermischen Wirkungsgrad zu verbessern und daher zu einer Minderung
des Brennstoffverbrauchs beizutragen.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, worin eine Ausführung
der vorliegenden Erfindung gezeigt ist.
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1 ist
eine Rückansicht
eines Benutzers, der eine Antriebseinheit für ein Protesenglied trägt, das
einen Stirlingmotor enthält,
gemäß einer
Ausführung
der vorliegenden Erfindung.
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2 ist
eine vertikale Schnittansicht des in 1 gezeigten
Stirlingmotors.
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1 ist
eine Rückansicht
eines Benutzers, der eine Antriebseinheit für ein Protesenglied trägt, das
einen Stirlingmotor enthält,
gemäß einer
Ausführung
der vorliegenden Erfindung; und 2 ist eine vertikal
geschnittene Seitenansicht des in 1 gezeigten
Stirlingmotors.
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In
den 1 und 2 bezeichnet das Bezugszeichen
E einen Stirlingmotor der vorliegenden Erfindung, der typischerweise
zum Antrieb eines Protesenbeins 1 verwendet wird. Das Protesenbein 1 enthält einen
Oberschenkelabschnitt 2, der mit einem Sockel 2a integriert
ist, in den der verbleibende Oberschenkelabschnitt eines Benutzers
einzusetzen ist; einen Unterschenkelabschnitt 4, der mit
dem Unterende des Oberschenkelabschnitts 2 über ein
Gelenk 3 biegbar/streckbar verbunden ist; sowie einem Fußabschnitt 5,
der mit einem unteren Ende des Unterschenkelabschnitts 4 verbunden
ist.
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Der
Stirlingmotor E enthält
eine Verdrängereinheit 6 und
eine Steuereinheit 7, die an einem Gürtel B angebracht sind, der
um den Hüftabschnitt
eines Benutzers herum getragen wird; eine Antriebszylindereinheit 8,
die zwischen dem Oberschenkelabschnitt 4 und dem Unterschenkelabschnitt 4 des
Protesenbeins angebracht ist; sowie eine flexible Druckleitung 22 zur Übertragung
eines in der Verdrängereinheit 6 erzeugten
Drucks auf die Antriebszylindereinheit 8. Die Konfiguration
des Stirlingmotors E wird in Bezug auf 2 weitergehend
beschrieben.
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Die
Verdrängereinheit 6 enthält einen
Verdrängerzylinder 10;
einen Verdrängerkolben 13,
der in den Zylinder 10 verschiebbar eingesetzt ist, um den
Innenraum des Zylinders 10 in eine Expansionskammer 11 an
einer Kopfseite des Zylinders 10 und eine Verdichterkammer 12 an
einer Bodenseite des Zylinders 10 zu unterteilen; eine
Heizvorrichtung 14, die um den Kopfabschnitt des Verdrängerzylinders 10 herum
vorgesehen ist, um die Expansionskammer 11 zu erhitzen;
einen Kühler 15,
der am Bodenabschnitt des Verdrängerzylinders 10 vorgesehen
ist, um die Verdichterkammer 12 zu kühlen; einen Wärmeregenerator 17,
der in einem Verbindungsdurchgang 16 zum Verbinden der
Expansionskammer 11 mit der Verdichterkammer 12 eingefügt ist;
und einen motorgetriebenen Steueraktuator 20 zum Antrieb
des Verdrängerkolbens 3 über eine
Stange 18, die den Bodenabschnitt des Verdrängerzylinders 10 durchsetzt.
Ein Verdrängerkolbensensor 21 zum
Erfassen einer Position des Verdrängerkolbens 13 ist
an dem Steueraktuator 20 vorgesehen.
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Die
Heizvorrichtung 14 hat eine Katalysatorbauart, worin ein
Verbrennergehäuse 25,
das an einer Außenoberfläche des
Kopfabschnitts des Verdrängerzylinders 10 ausgebildet
ist, mit einem Oxydationskatalysator 26 gefüllt ist.
Ein Brennstoffluftmischer 27 ist am einen Endabschnitt
des Verbrennergehäuses 25 vorgesehen,
und ein Auslassrohr 28 ist am anderen Ende des Gehäuses 25 vorgesehen.
In diesem Gehäuse
ist auch der Katalysator 26 an einer Außenoberfläche des Kopfabschnitts des
Verdrängerzylinders 10 in
dem Brennerzylinder 25 angebracht. Der Brennstoffluftmischer 27 hat
einen Brennstoffdurchgang 27b und einen Luftdurchgang 27a, die
einander benachbart sind.
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Der
Verdrängerzylinder 10,
der Kühler 15 und
das Brennergehäuse 25 sind
mit einer Abschirmung 30 abgedeckt. Die Abschirmung 30 hat
an einer dem Kühler 15 benachbarten
Position einen Lufteinführdurchgang 31a und
an einer dem Auslassrohr 28 benachbarten Position einen
Brennstoffeinführdurchgang 32a.
Eine erste Trennwand 29a zum Umgeben des Brennergehäuses 25 und
eine zweite Trennwand 29b zum Umgeben der ersten Trennwand 29a sind
in der Abschirmung 30 angeordnet. Mit diesen Trennwänden 29a und 29b und
der Abschirmung 30 ist ein Luftkanal 31 zum Verbinden
des Lufteinführdurchgangs 31a mit
dem Luftdurchgang 27a, während er dazwischen mäandriert,
von einem Brennstoffkanal 32 zum Verbinden des Brennstoffeinführdurchgangs 32a mit
dem Brennstoffdurchgang 27b entlang einem Außenumfang
des Brennergehäuses 25 unterteilt.
Ein Kühler 36 ist
zusätzlich
an einer Außenumfangsoberfläche des
Auslassrohrs 28 derart vorgesehen, dass er zu dem Brennstoffkanal 32 weist.
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Eine
Festelektrolytvorrichtung 33 ist zusätzlich an der ersten Trennwand 29a vorgesehen.
Die Festelektrolytvorrichtung 33 erzeugt mit ihrem zum Luftkanal 31 weisenden
Luftpol 33a und ihrem zum Brennstoffkanal 32 weisenden
Brennstoffpol 33b Strom. Eine thermoelektrische Wandlervorrichtung 31 ist
zusätzlich
an der Außenumfangsoberfläche des
Auslassrohrs 28 vorgesehen. Die thermoelektrische Wandlervorrichtung 34 wandelt
Wärme,
die vom Auslassrohr 28 hierauf überführt wird, in Elektrizität um, um
hierdurch Strom zu erzeugen. Die Ausgabe von der thermoelektrischen
Wandlervorrichtung 34 wird in eine später zu beschreibende Speicherbatterie 39 geladen.
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Eine
Tragwand 35 zur Aufnahme des Steueraktuators 20,
während
sie einen festen Abschnitt des Aktuators 20 trägt, ist
derart vorgesehen, dass sie sich an die Abschirmung 30 anschließt.
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Die
Steuereinheit 7 enthält
eine elektronische Steuereinheit 37, eine Brennstoffpatrone 38,
die Speicherbatterie 39 als Stromquelle für die elektronische
Steuereinheit 37 sowie einen manuell betätigten Kontroller 40 zum
beliebigen Betätigen
der elektronischen Steuereinheit 37. Die elektronische
Steuereinheit 37, die Brennstoffpatrone 38 und
die Speicherbatterie 39 sind in einem Steuerkasten 41 aufgenommen.
Die Brennstoffpatrone 38 ist mit Brennstoff wie etwa Butan
gefüllt.
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Die
Brennstoffpatrone 38 ist mit dem Brennstoffeinführdurchgang 32a über eine
Brennstoffleitung 32 verbunden, und ein Brennstoffeinsteller 44 zum
Einstellen der Brennstoffströmungsrate
ist in die Brennstoffleitung 32 eingefügt. Eine Zündkerze 45 ist in
dem Brennergehäuse 25 an
einer dem Mischer 27 benachbarten Position vorgesehen.
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Die
Antriebszylindereinheit 8 enthält einen Antriebszylinder 47,
der dem einen des Oberschenkelabschnitts 12 und des Unterschenkelabschnitts 4 verbunden
ist, sowie einen Antriebskolben 48, der mit dem anderen
des Oberschenkelabschnitts 2 und des Unterschenkelabschnitts 4 schwenkbar
verbunden ist, während
er in dem Antriebszylinder 47 verschiebbar eingesetzt ist.
Eine Arbeitskammer 49, die mittels des Antriebskolbens 48 in
dem Antriebszylinder 47 definiert ist, steht mit der Verdichterkammer 12 mittels
der Verdrängereinheit 6 in
Verbindung.
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Ein
Biege-/Streckwinkelsensor 51 zum Erfassen eines Biege-/Streckwinkels
zwischen dem Oberschenkelabschnitt 2 und dem Unterschenkelabschnitt 4 ist
an einer Position zwischen dem Oberschenkelabschnitt 2 und
dem Unterschenkelabschnitt 4 angebracht. Ein Ausgangssignal
von dem Biege-/Streckwinkelsensor 51 und Ausgangssignale von
dem manuell betätigten
Kontroller 40 und des Verdrängerkolbensensors 21 werden
in die elektronische Steuereinheit 37 eingegeben. Auf der
Basis dieser Signale steuert/regelt die elektronische Steuereinheit 37 den
Aktuator 20 und den Brennstoffeinsteller 44.
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Nachfolgend
wird eine Funktion dieser Ausführung
beschrieben.
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Von
der Brennstoffpatrone 38 wird Brennstoff zugeführt. Die
Strömungsrate
des Brennstoffs wird durch den Brennstoffeinsteller 44 eingestellt.
Der Brennstoff wird dann über
den Brennstoffkanal 32 dem Brennstoffluftmischer 27 zugeführt, wo
er mit Luft vermischt wird, der von dem Lufteinführdurchgang 31a über den
Luftkanal 31 über
den Brennstoffluftmischer 27 geflossen ist. Das Brennstoffluftgemisch
wird durch die Zündkerze 45 einmal
gezündet,
und danach wird die Verbrennung des Brennstoffluftgemischs durch
den Katalysator 26 fortlaufend beschleunigt, um die Expansionskammer 11 von
der Kopfabschnittseite des Verdrängerzylinders 10 auf
eine bestimmte hohe Temperatur zu erhitzen. Durch die Verbrennung
erzeugtes Abgas wird durch das Auslassrohr 28 an die Außenseite
abgegeben. Unterdessen heizt Wärme,
die von dem Verbrennergehäuse 25 und
dem Kühler 36 abgegeben
wird, das durch den Brennstoffkanal 32 hindurchtretende Brenngas
vor, um hierdurch zu einer Beschleunigung sowohl der elektrolytischen
Stromerzeugung durch die Festelektrolytvorrichtung 33 als
auch der Verbrennung in dem Brennergehäuse 25 beizutragen.
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Der
Kühler 15 hält die Verdichterkammer 12 in
einem bestimmten Niedertemperaturzustand. Der Wärmeregenerator 17 erhält Wärme von
Arbeitsgas, das sich zwischen der Expansionskammer 11 und der
Verdichterkammer 12 über
den Verbindungsdurchgang 16 bewegt.
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Der
Steueraktuator 20 wird auf der Basis eines Befehls von
der elektronischen Steuereinheit 37 betrieben, damit sich
der Verdrängerkolben 13 hin und
her bewegt, um hierdurch eine Druckamplitude in der Verdichterkammer 12 zu
erzeugen. Der Druck wird über
die flexible Druckleitung 22 auf die Arbeitskammer 49 des
Antriebszylinders 47 übertragen,
damit sich der Antriebskolben 48 hin und her bewegt und
hierdurch den Unterschenkelabschnitt 4 relativ zum Oberschenkelabschnitt 2 zu
biegen/zu strecken. Die Biege-/Streckbewegung des Unterschenkelabschnitts 2 relativ
zum Oberschenkelabschnitt 2 unterstützt den Gang des Benutzers.
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Um
den Antriebskolben 48 effizient anzutreiben, identifiziert
die elektronische Steuereinheit 37 gleichzeitig eine Position
des Antriebskolbens 48 auf der Basis eines Ausgangssignals
des Biege-/Streckwinkelsensors 51 und betreibt den Steueraktuator 20 derart,
dass der Verdrängerkolben 13 um
einen umgewandelten Kurbelwinkel von 90° dem Antriebskolben 48 vorausläuft. Ferner
kann die elektronische Steuereinheit 37 die Arbeitsgeschwindigkeit
des Verdrängerkolbens 13 von
Null auf einen beliebigen Wert steuern, um die Biege-/Streckgeschwindigkeit des
Unterschenkelabschnitts 4 relativ zum Oberschenkelabschnitt 2 von
Null bis zu einem beliebigen Wert zu steuern. Mit dieser Konfiguration
kann das Protesenbein 1 auf der Basis des Wunschs des Benutzers
bewegt werden.
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Die
Verbrennungsform durch die Katalysator-Heizvorrichtung 14 ist
eine kontinuierliche Verbrennung, die auch in einem Steuerungszustand
mit einer relativ geringen Wärmemenge
stabil ist, sodass es möglich
ist, die Eigenschaft von Abgas zu verbessern und das Auftreten von
Verbrennungsoszillation zu verbessern und das Auftreten von Verbrennungsoszillation
zu beseitigen. Da ferner die Brennstoffpatrone 38 angewendet
wird, ist es möglich,
Brennstoff rasch zu ergänzen
und auch die Expansionskammer 11 des Verdrängerzylinders 10 für eine lange
Zeitdauer stabil zu heizen. Dies macht es möglich, den Gang des Benutzers
mit Komfort für
eine Lange Zeit durch langzeitigen Betrieb des klein bemessenen Stirlingmotors
E zu unterstützen.
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Da
der Katalysator 26 der Heizvorrichtung 14 direkt
auch durch die Außenoberfläche des
Kopfabschnitts des Verdrängerzylinders 10 in
dem Brennergehäuse 25 getragen
wird, kann der Wärmetransfer von
dem Katalysator 26 auf den Kopfabschnitt des Verdrängerzylinder 10 verbessert
werden. Dementsprechend wird es möglich, den thermischen Wirkungsgrad
zu verbessern und daher auch zu einer Reduktion im Brennstoffverbrauch
beizutragen.
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Da
der Stromverbrauch der Speicherbatterie 39 als Stromquelle
für die
elektronische Steuereinheit 37 sehr gering ist und die
Speicherbatterie 39 mit Elektrizität geladen wird, die von der
Festelektrolytvorrichtung 33 und der thermoelektrischen
Wandlervorrichtung 34 ausgegeben wird, wird die Lebensdauer
der Speicherbatterie 39 länger.
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Da
nur die Antriebszylindereinheit 8 am Prothesenbein 1 vorgesehen
ist, während
die relativ schwere Verdrängereinheit 6,
die Brennstoffpatrone 38, die elektronische Steuereinheit 37 etc.
an dem Gürtel
B angebracht sind, der um den Hüftabschnitt des
Benutzers herum getragen wird, und die Verdrängereinheit 6 mit
der Antriebszylindereinheit 8 über die flexible Druckleitung 22 verbunden
ist, ist es möglich,
das Protesenbein 1 leichtgewichtig und schlank zu machen,
während
die glattgängige
Biege-/Streckbewegung des Protesenbeins 1 gewährleistet
wird, und es wird ferner für
den Benutzer möglich,
durch Anlegen/Ablegen des Gurts B um den Hüftabschnitt herum die Verdrängereinheit 6 leicht, rasch
und einfach anzulegen/abzunehmen.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführung beschränkt, und
es versteht sich, dass verschiedene konstruktive Änderungen
daran vorgenommen werden können,
ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel
kann die Heizvorrichtung der vorliegenden Erfindung auch auf einen
Stirlingmotor vom α-Typ
und eine andere Maschine mit äußerer Verbrennung
als den Stirlingmotor angewendet werden.
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Die
Erfindung sieht eine Heizvorrichtung für eine Maschine mit äußerer Verbrennung
vor, die in der Lage ist, die Verbrennungsstabilität in einem Steuerungszustand
mit einer relativ geringen Wärmemenge
und die Abgaseigenschaft zu verbessern, und einen langzeitigen Betrieb
der Maschine mit äußerer Verbrennung
zu realisieren.
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Um
dies zu erreichen, erhält
eine Heizvorrichtung 14 für eine Maschine mit äußerer Verbrennung:
ein Brennergehäuse 25,
das so vorgesehen ist, dass es einen Heizabschnitt 11 einer
Maschine mit äußerer Verbrennung
E umgibt; einen Brennstoffluftmischer 27, der am einen
Ende des Brennergehäuses 25 vorgesehen
ist, und ein Auslassrohr 28, das am anderen Ende des Brennergehäuses 25 vorgesehen
ist; sowie einen Oxydationskatalysator 26, der in dem Brennergehäuse 25 angeordnet
ist, um die Verbrennung eines Brennstoffluftgemischs aus Brennstoff
und Luft, das durch den Brennstoffluftmischer 27 zugeführt wird,
zu beschleunigen.