具有一个驱动装置和一个可被该驱动装置驱动的机器的设备

摘要

设备(1)有一个驱动装置(2),该驱动装置(2)具有一个气体室(3),一个在气体室(3)内可运动地设置的板(4),一个加热器(5),一个冷却器(8)和一个蓄热器(11),其中,设有一个辅助驱动装置(14),用以可使板(4)运动,而又不驱动机器(13)。其优点在于,能以小的力使板(4)运动,并且设备(1)的一个简单的实施形式甚至可使设备在阳光照射下自启动。

说明书

本发明涉及一种具有一个具有权利要求1的前序部分特征的驱动装置的设备及一种用于操纵一个驱动装置的方法。

譬如DE41 09 289 A1公开了一种该类型的设备。用该设备生成的气压变动主要用于驱动水泵、机械活塞、制冷机和用作发电机。这种设备的缺点在于，为了启动驱动装置，需要一个曲轴和特别是一个重的飞轮。因此，启动该设备与大的力相关联。

本发明的任务在于开发一种该类型的、便于启动的设备及一种使该设备自动启动的方法。

在设备方面，解决以上任务的技术方案在于权利要求1的特征；在方法方面，解决以上任务的技术方案在于权利要求19的特征。

本发明所基于的认识在于，机器和驱动装置的机械连接的脱离虽然需要一个辅助驱动装置，但通过该辅助驱动装置可很轻易地启动机器。

由于该设备不需要飞轮，不需要曲轴并且也不需要其它的、机械的中间蓄势器，所以该设备的结构可以很轻。在启动过程中只需驱动一块板，并且由于这块板可为轻型结构，所以该板在毋需克服大的惯性力的情况下即可运动。

通过机器和辅助驱动装置的脱离，借助辅助驱动装置可对设备施加任意的、其变化范围很大的动力。此外，还能以有别于驱动装置的脉冲重复频率操纵机器。

建立整个设备只需几个耐磨的组件，此外，整个设备可为气密结构。

一个优选的实施形式规定，板是透气的，并且蓄热器与板相连。据此，可实现一种很紧凑的结构并且蓄热器受保护地设在气体室内。

为了在该实施形式中减轻与蓄热器相连的板的重量，冷却器设在与板对面的一侧并具有一个可与板的相应的轮廓相吻合的轮廓是相宜的。相互吻合的轮廓可改善由冷却器向板的热传递，因为在轮廓范围内形成的空气湍流促进了热传递。

另一实施形式规定，板基本上是透气的并且有利地是轻的和隔热的，并且气体室在板的两侧各有一个开口，该开口与蓄热器相通。蓄热器和板脱离导致板的重量进一步有所减轻并从而减少了由辅助驱动装置施加的力。板应在气体室内密封地被导向。而蓄热器中的压力损耗小到可使板和气体室壁之间的间隙损耗忽略不计的程度是有利的，因为据此可放弃密封。

冷却器具有一个处于气体室内的水面是有利的。据此，设备结构得以简化并且可使冷却效果最好。该水面可是一个自由的水面，也可用一张薄膜盖住该水面。

为了尽量减少由冷却器向板的热传递损耗，冷却器的至少一部分与板相连是有利的。

在该实施形式中，本发明有利地规定，冷却器的与板相连的部分具有一个可用水浸润的面，譬如一个过滤器。在结构简单的同时，这可确保良好的热传递。

加热器的有利结构在于，该加热器具有一个可绕一个垂直的轴旋转的、偏心的抛物面镜段和一个可动的、内成镜面的漏头。该装置用于使阳光聚焦，并且由在大多情况下只需对阳光进行较少的、位置固定的聚焦，所以，按照本发明，毋需进行通常所需的、季节性的仰角调整，而是在驱动装置的上缘周围设置一个适宜形状的、内成镜面的漏斗。

一个特别优选的实施形式规定，辅助驱动装置具有一个把流体压力转换成力的换能器，并且该换能器具有一个流体入口，该入口经由一个控制阀与气体室相通。该实施形式可简单地使设备自启动，因为借助该实施形式，在加热时在气体室内生成的压力的一小部分可被用于使驱动装置运动。譬如一个刚性的气缸-活塞系统、一个具有一层柔性的薄膜的、封闭的单元或一个风箱可用作换能器。

控制阀可被电气地或机械地驱动。控制阀经由一个弱耦合元件与换能器相连是有利的。弱耦合的长度为驱动装置的幅度和控制阀的阀行程之间的差。其中，弹簧或相斥的、同极的永久磁铁极在弱耦合元件的上死点和下死点促进驱动装置换向是有利的。

弱耦合元件是一种简单的、机械的控制装置，其换向点可以使换能器具有一个死点固定装置加以固定。譬如一个弹簧夹可用作死点固定装置，该弹簧夹确保换能器的被明确限定的上、下死点位置并据此导致驱动装置非连续地摆动，其中，该驱动装置分别在其上死点和下死点短时间停留。

在具有换能器的实施形式中，在气体室和控制阀之间设有一个最好是等压的、具有一个单向阀的流体蓄能器是有利的。该流体蓄能器可在驱动装置的膨胀阶段中存储随后用于驱动换能器的压力。流体蓄能器与单向阀相结合可用作气动整流器。

在气体室和控制阀之间最好设有一个节流阀。该节流阀使通过手动或借助一个计算机或一个控制该节流阀的传感器对系统参数的影响成为可能。

由于为了驱动换能器需从气体室内抽取流体，所以该流体体积必须连续地被补充。这可经由一个处在驱动装置的较冷一侧的低压阀来进行。该低压阀在气体室内的压力低于周围的压力的情况下总是敞开的。为了得到一个封闭的系统，一个优选的实施形式规定，换能器具有一个流体出口，该出口经由一个低压蓄能器与气体室相通。

机器在中间没设变速器的情况下可被驱动装置驱动是有利的。其中，在传动装置中形成的压力变动直接用于驱动机器，以便避免通过摩擦和待运动的质量造成的损耗。

建立液压传动或气动的措施譬如在于，机器具有一个工作活塞并且在气体室内设有一个液面，该液面与工作活塞或与工作活塞中的气体室相通。首先是空气或水泵可按此方式在能量上相适地被驱动，并且此外，该液面同时可用作冷却器。

一个特殊的实施形式规定，机器具有一个有利地被良好隔热的气体室和两个换热器以及一个第二蓄热器。在上述气体室中设有第二块板且可运动，在板的两侧各设一换热器。这种机器可用作制冷机，做法是，在驱动装置中形成的压力变动促成流过第二蓄热器。

第二块板可直接通过驱动装置的辅助驱动装置来运动。而一个优选的实施形式规定，机器具有一个辅助驱动装置，该辅助驱动装置与驱动装置的辅助驱动装置机械地或气动地连接。

在方法上解决本发明任务的技术方案可这样操纵本发明的设备，即设备借助于在驱动装置中形成的压力变动自行启动。驱动装置与机器的脱离和从驱动装置中分出一部分压力变动用于驱动辅助驱动装置可首先做到，在无外部触发的情况下驱动一台热气机。这种自启动的设备的附加优点是，它准确地按驱动装置的能量所提供的力矩启动。

一个优选的方法规定，在膨胀时，从气体室中抽出的气体被放出并在收缩时，同样的气体量又被吸入。据此，可在设备工作过程中对一个水域通风并且该水域在许多应用场合下成为同时用于冷却的水域。

由于绝大部分的力是在膨胀期内提供的，所以，机器最好只在膨胀时被驱动。在收缩期间内，所有作用在驱动装置上的力均被卸除，以便使驱动装置在该收缩期内卸载。

业已公开的是，麦克马洪·吉福德(Mac Mahon Gifford)过程是理论上最佳的过程控制，而以传统的设备从未能近似地实现该过程控制。公开的设备按斯特林过程工作，斯特林过程的特征是具有两个等温的状态变化和两个等体积的状态变化。而一个协调的方法控制则规定，作用在机器上的力的选择准则和/或驱动阀的准则在于，形成在具有两条等体积线和两条等压线的压力-体积图线中的循环。

为了制冷，一个优选的方法规定，在气体室中通过板的运动形成的压力变动被输往一个最好是隔热性良好的其中设有可运动的第二块板的第二气体室和两个设在该板的各一侧上的换热器，并且在这两个换热器中借助一个第二蓄热器制热和制冷。该制冷机的结构基本上与驱动装置的相同并因此，驱动装置的上述优选的实施形式也相应地适用于该制冷机。

第二块板相对于第一块板相位移地被运动是有利的。据此，重力理想地得到平衡并据此使设备的同步性得以提高。

在类似的设备中，板大多作移动运动的，而在本发明的设备中，完全能做到使板旋转地倾覆摆动地运动。在气体室内的旋转运动减少了加速力并且特别是对重量大的板而言是相宜的，倾覆摆动式的运动在同时采用多个驱动装置的情况下或用于驱动上述制冷机是有利的。该驱动装置的特殊优点在于，在每个升降行程中产生相同的力并且这导致被驱动的机器同步运行。

在附图中示出了多个实施例，下面对其进行详细说明。附图所示为：

图1一个具有手动的辅助驱动装置和设在板上的蓄热器的设备，

图2图1所示的、具有设在外部蓄热器的设备的部分示意图，

图3具有V形板的设备的部分示意图，

图4具有光线聚焦装置的设备的部分示意图，

图5具有光电驱动的控制阀的设备的示意图，

图6具有弱耦合元件的设备的示意图，

图7具有制冷机和用于连接辅助驱动装置的刚性连接装置的设备的示意图，

图8具有制冷机和用于连接辅助驱动装置的柔性连接装置的设备的示意图，

图9具有麦克马洪·吉福德过程的P-V图。

图1所示的设备1具有一个驱动装置2，该驱动装置2由一个长方六面体形的、其内有一块可向上下运动的透气板4的气体室3构成。板4具有黑的、起加热器5作用的上表面，因为长方六面体形的气体室3的上表面6是透光的。在气体室3的下表面7上设有一个冷却器8，该冷却器在其上表面上具有一个由垂直的叶片构成的轮廓9，该轮廓9与由板4上的由凹槽构成的相应的轮廓10相吻合。在轮廓10和板的上表面之间设有一个蓄热器11，该蓄热器11在板4运动时可被气体流过并可对热量进行中间存储。此外，气体室3还具有一个开口12，压力变动通过该开口12可传递到一个机器13上，以便对该机器进行驱动。在本实施例中，辅助驱动装置14是由一个杠杆15构成的，该杠杆支承在一个支座16上并可使板4上下运动。

在设备1运作时，经杠杆15使板4上下运动。由于板4是透气的，所以据此尚不能产生压力变动。而如果板4处于其下部位置，则板的黑的上表面将光线转换成热而加热气体室3内的气体，并形成超压。

而如果板4被向上运动，则气体处于板4的下方并被冷却器8冷却。届时形成负压。

在板上升时，气体流过板4，气体的热量被蓄热器11吸收，而在板下降时，热量又被蓄热器11发还给气体。此外，在板4和冷却器8的轮廓9和10相互吻合时形成湍流，这些湍流促进了由冷却器8向气体的热传递。

因此，板4经由辅助驱动装置14只被上、下运动，而通过热力过程却生成了多倍于辅助驱动装置14的能量作为压力变动能量。

图2示出了驱动装置2的另一实施形式2′，其中，蓄热器11′设在气体室3′的外部。在该实施例中，板4′是透气的、轻的和隔热的并且在板4′下降时通过一个下部开口把气体压往蓄热器11′并通过一个上部开口把气体抽回到气体室3′内并且在板4′上升时，则压出和抽回气体的方向相反。届时，板4′的运动速度小，而蓄热器11′的透气量大。据此，板4′对气体室3′毋需密封。

此外，在图2所示的驱动装置2′中，一个水面17被规定作冷却器8，并且板的下表面18构成一个可被水润湿的面，该面起冷却器作用。

图3示出了驱动装置的另一实施形式，其中设置了一个V形板4″，该板在其中心具有一个倾覆轴承19，板4″可绕倾覆轴承倾覆，使板的一侧20处于一个气体室3a″的上表面上，并使板的另一侧21处在另一气体室36″的下表面上或者颠倒过来。据此，气体总是在一侧上被冷却，而气体在另一侧上被加热。这可使机器13均匀地运作。

在图4中示意地示出了一个具有一个旋转的、偏心的抛物面镜段22和一个可移动的、内成镜面的漏斗23的气体室3被加热的情况。其中，气体室3的装配结构在于，它的中心轴线24朝向北极星。如DE33 44 195A1所描述的那样，由整个抛物面中的一个偏心段构成的抛物面镜以15°/小时的连续角速度绕极轴旋转。而由于在该实施例中只需较少的聚焦，所以规定把漏斗23设在气体室3的上缘上。

图5示出了另一个用于使板4上、下运动的辅助驱动装置14′。该辅助驱动装置14′具有一条管路25，该管路经由一个第一单向阀26通入一个中间蓄能器27。另一条管路28经由第二个单向阀29和一个节流阀30通入一个控制阀31。该控制阀31可在一个光电板32的驱动下连续地进行往复运动。在控制阀31的另一侧设有两条管路33和34，这两条管路分别通往一个活塞-缸单元35的一侧。活塞-缸单元35具有一个活塞36，该活塞36使板4运动。由于经由管路25从气体室内抽取气体，所以，为了在收缩阶段内吸入气体，气体室3在其下侧具有一个自动吸气阀37。

在驱动装置14′工作时，在膨胀阶段期间，一股小的气流从气体室3中被抽取并被输往存储器26。在存储器26中建立的超压受到节流并经由控制阀被交替地输往活塞-缸单元35的上侧和下侧，据此，使板4上、下运动。

在图6中示出了另一可供选择的驱动装置14″，其中，受驱动的机器13′是一台制冷机。该制冷机的结构基本上相当于图5所示的驱动装置。而在该实施例中，活塞-缸单元35的活塞36′经由一个弱耦合元件38和一个死点固定装置39与控制阀31′相连，另外，活塞36′的延长部分支承第二块板40，该板40与第二个蓄热器41可在第二个气体室44中的两个换热器42和43之间往复运动。

因此，借助仅一个辅助驱动装置14′可使两块板4和40相互同步地、但是相位移地运动并以活塞的运动驱动控制装置。

一个图中未示出的方案规定，出口45和46或者45′和46′经由一个低压蓄能器与自动吸气阀37或者37′相连。据此，实现一个闭式系统。

图7示出了本发明设备的另一方案，其中，驱动装置2经由一条连接管路47与制冷机13″相通。驱动装置2的辅助驱动装置48经由一个杠杆秤49与制冷机13″的板40′相连。其中，辅助驱动装置48被供以来自驱动装置2的压缩空气，压缩空气流入一个具有控制阀40的等压蓄能器50并交替地被输往辅助驱动装置48的活塞36的上侧和下侧。

杠杆秤49用于对驱动装置2和机器13″进行刚性连接。驱动装置2和机器13″两者的活塞可具有固定的相位移地相对运动。

图8示出了驱动装置2和制冷机13″之间的一个柔性的耦合装置，驱动装置2和制冷机13″也经由一条连接管路47相互连通，而驱动装置2和制冷机13″各具有一个自己的辅助驱动装置51及52。该设备也有一个带控制阀50的等压蓄能器50，该等压蓄能器以压缩空气交替地作用于辅助驱动装置51中的活塞36。而有一部分压缩空气流入一个移相器53，该移相器为制冷机13″的辅助驱动装置52供应压缩空气。

采用两个辅助驱动装置51和52并与移相器53相结合可使辅助驱动装置任意相位移地相对运作并且在设备运行中也可对相移进行变动。

在图1所示的本发明的设备1工作时，板基于其自重处在下死点上，并且在气体室3中，气体或者空气处于板的上方。该气体通过经由透气的上表面6照射到板4的黑色的上表面上的并在该黑色上表面上被转换为热的辐射能被加热。据此，气体发生膨胀并经由开口12压到机器13上。

随后，经由座落在支座16上的杠杆15使板4向上运动并且届时，气体通过处于板内的蓄热器11流到板4的下侧，并在该处冷却。在冷却的状态下，气体体积变小并据此有一个负压经由开口12对机器13起作用，该负压与超压交替地被用于驱动机器。由于在较大的设备中也能轻易地使板上、下运动，所以用这种设备可实现一个强大的压力变动，用以驱动人工所不能驱动的较大型的机器。

在采用一个图2所示的气体室3′的情况下，用板4′把气体压过蓄热器11′，在本实施例中，蓄热器处在气体室3′的外部。

在图3所示的设备工作时，V形板21经由倾覆支座19被往复运动并且届时在一侧形成超压，而在板的另一侧形成负压。据此获得的压力变动特别适于恒定地驱动处于负荷下的机器。

在图4所示的设备工作时，抛物面镜段22以15°/小时的角速度绕其垂直轴线24旋转，以便把较大量的阳光聚焦到气体室3的上表面上。

图5所示的设备是自启动的，因为气体膨胀时生成的超压的一部分被用于使板运动。为此，在膨胀期间，即板处于气体室3的下部范围内时，超压的一部分被输入中间蓄能器27中。该超压用于经由一个被往复运动的控制阀31把压缩空气交替地输往一个活塞36的上侧和下侧。该活塞36与板4相连并使板4交替地向上和向下运动。

只要有足够的阳光，一方面，气体室3内的气体就被加热并充满中间蓄能器27，并且另一方面，光电板32就提供足够的电流，用以使控制阀31往复运动。

从气体室内抽取使板运动所需的压缩空气，并且在收缩阶段经由自动吸气阀37在板的冷侧再吸入空气。

一方面，应尽量减轻板4的重量，另一方面，图中所示的设备中板的重量应由一个具有几乎恒定的力特性曲线的弹簧54撑住。

根据受驱动的机器的具体情况，只用膨胀时在气体室3内形成的超压驱动该机器会是相宜的。

对作用在机器上的力和对阀31的控制的调整准则在于，图9所示的、在具有两条等体积线55、56和两个等压线57、58的压力-体积图线中的循环得以形成。

在图6所示的设备工作时，控制阀不是如图5所示的那样被电气驱动，而是被机械驱动，此外，为了制冷，第二块板40与板4同步地运动，因为这两块板是刚性地相互连接的。

图7和8所示的设备的功能已在设备的说明中和前面的叙述中有所描述。