TWI628354B - 史特靈引擎系統及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一種史特靈引擎系統及其控制方法，該史特靈引擎系統包含一或多個史特靈引擎、一偵測模組及一遠端控制子系統。前述史特靈引擎包含一工作汽缸、一儲氣模組及一控制閥，該控制閥連接該工作汽缸及該儲氣模組，用以控制該工作汽缸內部的壓力。該偵測模組用以偵測一條件參數值。該遠端控制子系統，連接該控制閥及該偵測模組，該遠端控制子系統包含一自動控制模組及一手動控制模組，該自動控制模組用以依據該條件參數值控制該控制閥。藉此，讓操作人員可透過遠端控制子系統的手動控制模組遙控史特靈引擎的控制閥，改善史特靈引擎控制的便利性。

Description

史特靈引擎系統及其控制方法

本發明係關於一種史特靈引擎系統及其控制方法。

史特靈引擎屬於一種外燃機，此種引擎有別於傳統內燃機，其運轉過程不需要靠石化燃料在引擎內部進行燃燒爆炸，而是可藉由外部熱源(例如太陽熱能、焚化爐廢熱、生質能、地熱等熱源)受熱產生熱脹冷縮作用而運作。

常見的史特靈引擎，其構造大多包含一汽缸、一活塞、一移氣器及一傳動機構，該汽缸界定有工作空間，該活塞及該移氣器皆位在該工作空間中，該傳動機構連接該活塞及該移氣器，用以連動前述活塞及該移氣器往復壓縮該工作空間的工作氣體。相關案例如有中華民國發明專利公告第I512191號之「脈衝管史特靈引擎」、中華民國發明專利公告第I499718號之「自由活塞式史特靈引擎」等。

而為了方便控制該工作空間的壓力，目前有史特靈引擎設置有控制閥，相關前案如中華民國發明專利公開第201443332號之「史特林引擎之可調式旁通閥」、中華民國發明專利公開第201443333號之「史特林引擎之旁通閥」等，主要是在史特林靈擎之一引擎室與一曲柄軸室之間設有一連通管道，該連通管道上可設有控制閥，在開啟該控制閥時，引擎室將與曲柄軸室連通，因此可減少引擎室的壓力而使活塞停止或減速，在關閉該控制閥時，則可使引擎室的壓力上升而使活塞運作。

但史特靈引擎應用上常需要配置在鄰近熱源的特定環境，例如高處或高溫處等，這對工作人員來說操作上多有不便，也不易因應特殊狀況即時控制。舉例來說，若史特靈引擎的應用上是搭配太陽能聚焦系統作為加熱裝置，便可能會配置在高處，導致工作人員經常需要到高處作業，不僅操作上較為不便，也增加其危險性。

爰此，本發明人為改善史特靈引擎在控制上的方便性，而提出一種史特靈引擎系統，包含：一或多個史特靈引擎，包含一工作汽缸、一儲氣模組及一控制閥，該控制閥連接該工作汽缸及該儲氣模組，用以控制該工作汽缸內部的壓力；一偵測模組，用以偵測一條件參數值；及一遠端控制子系統，連接該控制閥及該偵測模組，該遠端控制子系統包含一自動控制模組及一手動控制模組，該自動控制模組用以依據該條件參數值控制該控制閥。

進一步，更包括一輔助動力單元，連接前述史特靈引擎；該遠端控制子系統並連接該輔助動力單元，以依據該條件參數值控制該輔助動力單元。

進一步，該偵測模組包含一轉速計、一溫度偵測單元、一壓力感測單元、一震動感測單元、一光偵測單元、一聲音感測單元之任一或組合。

進一步，更包括一發電裝置及一蓄電模組，該發電裝置連接該蓄電模組及前述史特靈引擎。

進一步，該遠端控制子系統包含一無線傳輸模組，該無線傳輸模組訊號連接該控制閥及該偵測模組。

本發明亦為一種史特靈引擎控制方法，包含：偵測步驟：以一偵測模組偵測一條件參數值；自動控制步驟：以一遠端控制子系統之一自動控制模組依據該條件參數值控制一或多個史特靈引擎之一控制閥，以控制前述史特 靈引擎之一工作汽缸內部的壓力；手動控制步驟：以一遠端控制子系統之一手動控制模組控制前述史特靈引擎之控制閥。

進一步，於該偵測步驟中該偵測模組包含一溫度感測單元，該條件參數值包含一加熱溫度值；該自動控制步驟中，於該加熱溫度值大於或等於預設之一加熱溫度門檻值時，驅動該控制閥開啟。

進一步，於該偵測步驟中：該偵測模組更包含一轉速計，該條件參數值包含一轉速值；該自動控制步驟中：當該控制閥受驅動而開啟時，該自動控制模組啟動一輔助動力單元，以藉由該輔助動力單元驅動前述史特靈引擎，當前述史特靈引擎之轉速值大於或等於預設之一第一轉速門檻值時，該自動控制模組控制該控制閥及該輔助動力單元關閉。

進一步，該自動控制步驟中：當前述史特靈引擎運轉預設之一啟動時間後，前述史特靈引擎之轉速值小於預設之一第二轉速門檻值時，該自動控制模組重新驅動該控制閥及該輔助動力單元開啟。

進一步，該偵測模組包含一轉速計、一溫度偵測單元、一壓力感測單元、一震動感測單元、一聲音感測單元之任一或組合；更包含一緊急停止步驟：當該條件參數值對應預設之一警戒值時，該自動控制模組控制該控制閥開啟。

根據上述技術特徵可達成以下功效：

1.操作人員可透過遠端控制子系統的手動控制模組遙控史特靈引擎的控制閥，改善史特靈引擎控制的便利性。特別是在史特靈引擎因為特定需求須設置在不易操作的環境時，操作人員可在較安全的環境下操作。

2.藉由偵測模組偵測條件參數值(例如溫度、轉速等)，可供自動控制模組在特殊狀況下即時反應控制史特靈引擎。

3.藉由偵測模組偵測轉速，供自動控制模組自動判斷輔助動力單元的啟閉時間，讓史特靈引擎的啟動控制更為方便、簡易。

4.偵測模組可包含一轉速計、一溫度偵測單元、一壓力感測單元、一震動感測單元、一聲音感測單元之任一或組合，讓史特靈引擎在轉速異常、溫度過高、內部壓力過高、震動過大或產生異音等情況時，自動控制模組便可即時自動控制該史特靈引擎的運轉。

5.遠端控制子系統的訊號傳輸方式可為無線或較長距離的傳輸線皆可，主要目的皆在於可在史特靈引擎所在的工作環境之外進行控制。

6.實施上可藉由單一個遠端控制子系統遠端控制多個史特靈引擎，以便於建置大型發電廠，提高整體發電效益。

(1)‧‧‧史特靈引擎

(11)‧‧‧活塞

(12)‧‧‧工作汽缸

(13)‧‧‧控制閥

(131)‧‧‧閥桿

(132)‧‧‧電磁線圈

(14)‧‧‧儲氣模組

(15)‧‧‧流道

(150)‧‧‧外部管體

(2)‧‧‧偵測模組

(21)‧‧‧轉速計

(22)‧‧‧溫度偵測單元

(3)‧‧‧遠端控制子系統

(30)‧‧‧無線傳輸模組

(31)‧‧‧自動控制模組

(32)‧‧‧手動控制模組

(33)‧‧‧儲存單元

(4)‧‧‧輔助動力單元

(5)‧‧‧發電裝置

(6)‧‧‧蓄電模組

[第一圖]係本發明實施例之系統架構示意圖。

[第二圖]係本發明實施例之系統方塊示意圖。

[第三圖]係本發明實施例之步驟流程示意圖。

綜合上述技術特徵，本發明史特靈引擎系統及其控制方法的主要功效將可於下述實施例清楚呈現。

請先參閱第一圖及第二圖，係揭示本發明實施例史特靈引擎系統，包含：一或多個史特靈引擎(1)、一偵測模組(2)及一遠端控制子系統(3)。其中：前述史特靈引擎(1)包含一活塞(11)、一工作汽缸(12)及一控制閥(13)，該活塞(11)位於該工作汽缸(12)內，該控制閥(13)連接該工作汽缸(12)，用以控制該工作汽缸(12)內部的壓力。詳細而言，前述史特靈引擎(1)包含一儲氣模組(14)，該儲氣模組(14)於本實施例為實質上密封之一傳動箱，該傳動箱用於 容納一傳動模組，例如曲柄傳動機構、菱形傳動機構、斜盤傳動機構、羅斯傳動機構、彈性元件或磁力元件等傳動機構。該傳動箱內部藉由一流道(15)與該工作汽缸(12)內部彼此連通，該流道(15)可由一外部管體(150)所提供，但不限於此，該流道(15)亦可利用鑽孔等方式直接形成於前述史特靈引擎(1)內部皆可。再者，該儲氣模組(14)亦不限於利用前述傳動箱，亦可為外接該工作汽缸(12)之一儲氣筒，同樣可提供用於作為被壓室的儲氣元件，但利用附加的儲氣筒可進一步避免該工作汽缸(12)之工作氣體受到前述傳動模組的油氣汙染。

復請參閱第一圖及第二圖，該控制閥(13)於本實施例中設置於該外部管體(150)，該控制閥(13)例如可為一止推閥，且可受電磁控制而作動，當該控制閥(13)開啟該流道(15)時，可使該工作汽缸(12)內部與該儲氣模組(14)內部連通，因此可減少該工作汽缸(12)的內部壓力而使該活塞(11)停止或減速；藉由關閉前述控制閥(13)，可使該工作汽缸(12)的壓力上升而使該活塞(11)受壓差影響而運作。詳細而言，該控制閥(13)包含一閥桿(131)及對應該閥桿(131)之一電磁線圈(132)，該閥桿(131)用以連動閥門作動而封閉或開啟該流道(15)，該電磁線圈(132)對應該閥桿(131)，以藉由通電該電磁線圈(132)產生的電磁力驅動該閥桿(131)。

復請參閱第一圖及第二圖，該偵測模組(2)用以偵測一條件參數值。該偵測模組(2)包含一轉速計、一溫度偵測單元、一壓力感測單元、一震動感測單元、一光偵測單元、一聲音感測單元之任一或組合，使該條件參數值包含一轉速值、一溫度值、一壓力值、一震動量、一光強度值、一音量之任一或組合。於本實施例中，該偵測模組(2)包含一轉速計(21)及一溫度偵測單元(22)為例，實施上可依不同需求增減、替換不同的感測元件，該轉速計(21)可設置於前述史特靈引擎(1)，以取前述史特靈引擎(1)運作的轉速值。該溫度偵測單元 (22)可設置於集熱裝置(例如聚光透鏡、聚光碟等太陽能聚焦系統)或/及該前述史特靈引擎(1)集熱部位，以取得一加熱溫度值。

復請參閱第一圖及第二圖，該遠端控制子系統(3)連接該控制閥(13)及該偵測模組(2)，具體而言，該遠端控制子系統(3)可藉由無線傳輸模組(30)或較長距離的傳輸線(例如10公尺、20公尺等)連接該控制閥(13)及該偵測模組(2)，主要目的皆在於可在前述史特靈引擎(1)所在的工作環境之外進行控制。該遠端控制子系統(3)包含一自動控制模組(31)及一手動控制模組(32)，該自動控制模組(31)用以依據該條件參數值控制該控制閥(13)，該手動控制模組(32)用以供操作人員遠端操作該控制閥(13)。該遠端控制子系統(3)並可更包括一儲存單元(33)，該儲存單元(33)用以儲存前述條件參數值，以便作為後續資料分析之用。

復請參閱第一圖及第二圖，較佳的是，於本實施例中更包括一輔助動力單元(4)，該輔助動力單元(4)例如為馬達且連接前述傳動模組，以輔助驅動前述活塞(11)位移，該輔助動力單元(4)並連接該遠端控制子系統(3)，以供該遠端控制子系統(3)依據該條件參數值之轉速值控制該輔助動力單元(4)。

復請參閱第一圖及第二圖，於本實施例中，更包括一發電裝置(5)及一蓄電模組(6)，該發電裝置(5)連接該蓄電模組(6)及前述史特靈引擎(1)的傳動模組，使該發電裝置(5)受前述史特靈引擎(1)帶動後所產生的電力，可儲存於該蓄電模組(6)，由於該發電機制及蓄電機制相關細節為所屬領域者的通常知識，為求簡明，於此不再予以詳述。

使用之情況，續請參閱第三圖搭配第二圖，包含：一手動控制步驟、一偵測步驟及一自動控制步驟。其中該手動控制步驟：係操作人員依據需求，適時藉由前述遠端控制子系統(3)之手動控制模組(32)控制該控制閥(13)開啟或關閉。該偵測步驟：係前述偵測模組(2)偵測一條件參數值。於本實施例中，該偵測模組(2)例如包含前述轉速計(21)及前述溫度偵測單元(22)，前述轉速計 (21)可用於測得前述史特靈引擎(1)的轉速值，前述溫度偵測單元(22)則可用於測得集熱裝置(例如聚光透鏡、聚光碟等太陽能聚焦系統)或/及該前述史特靈引擎(1)集熱部位的一加熱溫度值。但不限於此，實施上可依不同需求增減、替換為壓力感測單元、震動感測單元、光偵測單元、聲音感測單元等皆可，主要目的在於偵測前述史特靈引擎(1)自身或其他相關組件、工作環境的條件參數值。

復請參閱第三圖搭配第二圖，該自動控制步驟：以前述遠端控制子系統(3)之自動控制模組(31)依據該條件參數值控制前述史特靈引擎(1)之控制閥(13)，以控制前述史特靈引擎(1)之工作汽缸(12)內部的壓力。具體而言，於本實施例中，當前述溫度偵測單元(22)測得的加熱溫度值大於或等於預設之加熱溫度門檻值(例如700℃)時，可自動驅動該控制閥(13)開啟，若該加熱溫度值未大於或等於預設之加熱溫度門檻值，則不開啟控制閥(13)。當該控制閥(13)受驅動而開啟時，該自動控制模組(31)並啟動前述輔助動力單元(4)，以藉由該輔助動力單元(4)驅動前述史特靈引擎(1)，當前述史特靈引擎(1)之轉速值大於或等於預設之一第一轉速門檻值(例如400rpm)時，該自動控制模組(31)控制該控制閥(13)及該輔助動力單元(4)關閉。接著，當前述史特靈引擎(1)運轉預設之一啟動時間(例如1秒鐘、2秒鐘等)後，前述史特靈引擎(1)之轉速值小於預設之一第二轉速門檻值(例如500rpm)時，該自動控制模組(31)重新驅動該控制閥(13)及該輔助動力單元(4)開啟，以重新進行啟動程序。較佳的是，可更包含一緊急停止步驟：當該條件參數值(轉速值、溫度值、壓力值、震動量、光強度值、音量等)對應預設之一警戒值時，該自動控制模組(31)控制該控制閥(13)開啟，以在前述史特靈引擎(1)運轉有異狀(例如轉速異常、溫度過高、內部壓力過高、震動過大或產生異音等)時，可及時減速或停止。

綜合上述實施例之說明，當可充分瞭解本發明之操作、使用及本發明產生之功效，惟以上所述實施例僅係為本發明之較佳實施例，當不能以此 限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。

Claims (8)

1. 一種史特靈引擎系統，包含：一或多個史特靈引擎，前述史特靈引擎包含一工作汽缸、一儲氣模組及一控制閥，該控制閥連接該工作汽缸及該儲氣模組，用以控制該工作汽缸內部的壓力，前述儲氣模組為實質上密封之一傳動箱，該傳動箱內部藉由一流道與該工作汽缸內部彼此連通；一偵測模組，用以偵測一條件參數值，該偵測模組包含一轉速計，該轉速計設置於前述史特靈引擎，以取前述史特靈引擎運作的轉速值；一輔助動力單元，連接前述史特靈引擎；一遠端控制子系統，連接該控制閥、該偵測模組及該輔助動力單元，該遠端控制子系統包含一自動控制模組及一手動控制模組，該自動控制模組用以依據該條件參數值控制該控制閥及該輔助動力單元。
2. 如申請專利範圍第1項所述之史特靈引擎系統，其中，該偵測模組更包含一溫度偵測單元、一壓力感測單元、一震動感測單元、一光偵測單元、一聲音感測單元之任一或組合。
3. 如申請專利範圍第1項所述之史特靈引擎系統，更包括一發電裝置及一蓄電模組，該發電裝置連接該蓄電模組及前述史特靈引擎。
4. 如申請專利範圍第1項所述之史特靈引擎系統，其中，該遠端控制子系統包含一無線傳輸模組，該無線傳輸模組訊號連接該控制閥及該偵測模組。
5. 一種史特靈引擎控制方法，包含：偵測步驟：以一偵測模組偵測一條件參數值，該偵測模組包含一轉速計，該條件參數值包含一轉速值；自動控制步驟：以一遠端控制子系統之一自動控制模組依據該條件參數值控制一或多個史特靈引擎之一控制閥，以控制前述史特靈引擎之一工作汽缸內部的 壓力；當該控制閥受驅動而開啟時，該自動控制模組啟動一輔助動力單元，以藉由該輔助動力單元驅動前述史特靈引擎，當前述史特靈引擎之轉速值大於或等於預設之一第一轉速門檻值時，該自動控制模組控制該控制閥及該輔助動力單元關閉；手動控制步驟：以前述遠端控制子系統之一手動控制模組控制前述史特靈引擎之控制閥。
6. 如申請專利範圍第5項所述之史特靈引擎控制方法，於該偵測步驟中該偵測模組更包含一溫度感測單元，該條件參數值更包含一加熱溫度值；該自動控制步驟中，於該加熱溫度值大於或等於預設之一加熱溫度門檻值時，驅動該控制閥開啟。
7. 如申請專利範圍第5項所述之史特靈引擎控制方法，該自動控制步驟中：當前述史特靈引擎運轉預設之一啟動時間後，前述史特靈引擎之轉速值小於預設之一第二轉速門檻值時，該自動控制模組重新驅動該控制閥及該輔助動力單元開啟。
8. 如申請專利範圍第6項所述之史特靈引擎控制方法，其中，該偵測模組更包含一溫度偵測單元、一壓力感測單元、一震動感測單元、一聲音感測單元之任一或組合；更包含一緊急停止步驟：當該條件參數值對應預設之一警戒值時，該自動控制模組控制該控制閥開啟。