(57)【要約】  本発明は、原動機駆動のオルタネータを、既存の交流電流を有する交流電流回路に接続するために動作するコネクタ装置を提供する。例えば、コネクタ装置は、スターリングエンジンによって駆動されるオルタネータを、交流電流幹線給電に接続するために使用されてもよい。コネクタ装置は、原動機の初期動作周波数に対して同調された第１の共振周波数と、初期動作周波数に対して離調された第２の共振周波数との間で調整することが可能な、調整可能な共振周波数を有する回路を含む。この調整可能な共振周波数は、原動機（その動作条件により変化することがある、独自の共振周波数を有する可能性がある）の正確な動作条件に合わせて動作を調整することを可能にするため、有利である。
2007526962.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原動機駆動のオルタネータを、既存の交流電流を有する交流電流回路に接続するために動作するコネクタ装置であって、前記コネクタ装置は、前記原動機の初期動作周波数に対して同調された第１の共振周波数と、前記初期動作周波数に対して離調された第２の共振周波数との間で調整することが可能な、調整可能な共振周波数を有する回路を含む、コネクタ装置。
【請求項２】
前記第２の共振周波数は、通常の運転温度における前記原動機の動作に対して同調される、請求項１に記載のコネクタ装置。
【請求項３】
少なくとも第１および第２のキャパシタンス値を前記コネクタ装置に提供するように動作可能な１つまたは複数のキャパシタをさらに備え、前記第１のキャパシタンス値は前記同調された回路を提供し、前記第２のキャパシタンス値は前記離調された回路を提供する、請求項２に記載のコネクタ装置。
【請求項４】
前記１つまたは複数のキャパシタは、前記オルタネータと直列に接続される第１のキャパシタを含む、請求項３に記載のコネクタ装置。
【請求項５】
前記１つまたは複数のキャパシタは、前記第１のキャパシタの周囲に並列に伸びる電気経路に沿って配置される第２のキャパシタを含む、請求項４に記載のコネクタ装置。
【請求項６】
前記第１のキャパシタの周囲に伸びる前記電気経路は、スイッチを含む、請求項５に記載のコネクタ装置。
【請求項７】
前記１つまたは複数のキャパシタのうちの少なくとも１つは、調整可能なキャパシタである、請求項３〜６のいずれか一項に記載のコネクタ装置。
【請求項８】
前記オルタネータを前記交流電流回路に接続するように動作可能なスイッチをさらに備える、請求項１〜７のいずれか一項に記載のコネクタ装置。
【請求項９】
前記オルタネータと並列の配置になるように、および並列の配置でなくなるように切り換え可能なインピーダンスをさらに備え、前記インピーダンスは、前記オルタネータと並列に接続された場合、前記原動機が前記オルタネータを駆動して前記インピーダンスの周囲に電流を生成することをできなくするほど、十分に低い値である、請求項１〜８のいずれか一項に記載のコネクタ装置。
【請求項１０】
前記インピーダンスを前記オルタネータと並列の配置に接続するように構成され、前記オルタネータを前記オルタネータと並列の配置から切断するように構成され、そして、前記オルタネータを前記交流電流回路に接続するように構成される、コントローラをさらに備える、請求項９に記載のコネクタ装置。
【請求項１１】
前記コントローラは、前記オルタネータを前記交流電流回路に接続する前に、前記インピーダンスを前記オルタネータと並列の配置から切断するように構成される、請求項１０に記載のコネクタ装置。
【請求項１２】
前記コントローラは、前記オルタネータを前記交流電流回路に接続した後で、前記インピーダンスを前記オルタネータと並列の配置から切断するように構成される、請求項１１に記載のコネクタ装置。
【請求項１３】
前記オルタネータは、前記交流電流回路に、インピーダンスを通して接続される、請求項９〜１２のいずれか一項に記載のコネクタ装置。
【請求項１４】
前記オルタネータと前記交流電流回路との間に接続された前記インピーダンスを通過する電流の特性を監視するための手段を含む、請求項１３に記載のコネクタ装置。
【請求項１５】
切り換え可能な電気経路をさらに備え、前記コントローラは、前記オルタネータと前記交流電流回路との間に接続された前記インピーダンスを通過する前記電流の前記特性が望ましいパラメータの範囲内である場合は、この切り換え可能な経路を完成させて前記インピーダンスを短絡するように構成される、請求項１４に記載のコネクタ装置。
【請求項１６】
前記オルタネータを駆動する前記原動機は、スターリングエンジンである、請求項１〜１５のいずれか一項に記載のコネクタ装置。
【請求項１７】
前記オルタネータは、リニアオルタネータである、請求項１〜１６のいずれか一項に記載のコネクタ装置。
【請求項１８】
前記交流電流回路は、幹線給電である、請求項１〜１７のいずれか一項に記載のコネクタ装置。
【請求項１９】
原動機駆動のオルタネータを、既存の交流電流を有する交流電流回路に接続するためのコネクタ装置を動作させる方法であって、前記方法は、前記原動機のパラメータを監視するステップと、前記パラメータがしきい値を通過した場合に、前記コネクタ装置の回路の共振周波数を、前記原動機の初期動作周波数に対して同調された第１の共振周波数と、前記初期動作周波数に対して離調された第２の共振周波数との間で調整するステップとを含む方法。
【請求項２０】
２つの端子間で電流を生成するように構成された原動機駆動オルタネータを、既存の交流電流を有する交流電流回路に接続するための方法であって、前記方法は、
（ａ）前記オルタネータを駆動するように構成された前記原動機が、実質的に動作できず、かつ、前記オルタネータに電流を生成させることもできなくなるような値のインピーダンスを、前記オルタネータの前記端子間に接続するステップと、
（ｂ）接続先の前記回路内の前記交流電流の周波数で前記オルタネータを駆動するための適切な条件内にあるように、前記原動機を初期化するステップと、
（ｃ）前記オルタネータが前記原動機の動作を開始させるために、既存の交流電流を有する回路に前記オルタネータの前記端子を接続するステップとを含み、さらに、
ステップ（ｂ）および（ｃ）に並行して、前記原動機のパラメータを監視するステップと、前記パラメータがしきい値を通過した場合に、回路の共振周波数を、前記原動機の初期動作周波数に対して同調された第１の共振周波数と、前記初期動作周波数に対して離調された第２の共振周波数との間で調整するステップとを含む方法。
【請求項２１】
前記原動機はスターリングエンジンである、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記スターリングエンジンは、そのピストン燃焼室の一方の端に熱を加えることによって初期化される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記オルタネータの前記端子は、前記交流電流回路に、インピーダンスを通して接続される、請求項２０〜２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
前記オルタネータの前記端子が、前記交流電流回路に接続される際に、間に接続される前記インピーダンスは、続いて、短絡される、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記オルタネータの前記端子が、前記交流電流回路に接続された後で、前記接続を通過する電流の特性が検査され、それらが予想されるパラメータの範囲内であるかどうかが判定される、請求項２０〜２４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２６】
前記短絡回路を通過する電流の特性が検査され、それらが予想されるパラメータの範囲内であるかどうかが判定される、請求項２４〜２５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２７】
前記電流の前記特性が、予想されるパラメータの範囲外である場合は、前記オルタネータが前記交流電流回路から切断される、請求項２５〜２６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２８】
原動機駆動のオルタネータを、既存の交流電流を有する交流電流回路から切断するための方法であって、前記方法は、
（ａ）前記原動機駆動のオルタネータと並列にインピーダンスを接続するステップであって、前記原動機による前記オルタネータの駆動を阻止し、それにより前記原動機をストールさせるために、前記インピーダンスは、前記オルタネータが出力可能な電流を上回る電流を要求する十分に低いインピーダンス値を有するステップと、
（ｂ）既存の交流電流を有する前記回路から前記オルタネータを切断するステップとを含み、さらに、
ステップ（ａ）および（ｂ）に並行して、前記原動機のパラメータを監視するステップと、前記パラメータがしきい値を通過した場合に、回路の共振周波数を、前記原動機の初期動作周波数に対して同調された第１の共振周波数と、前記初期動作周波数に対して離調された第２の共振周波数との間で調整するステップとを含む方法。
【請求項２９】
前記原動機はスターリングエンジンである、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記スターリングエンジンはヒーターを有し、前記スターリングエンジンをストールさせるために前記インピーダンスが前記オルタネータと並列に接続される前に、前記ヒーターはオフにされ、前記スターリングエンジン内の熱が使い果たされる、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記第２の共振周波数は、通常の運転温度における前記原動機の動作に対して同調される、請求項１９〜３０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３２】
前記原動機はスターリングエンジンである、請求項１９〜３１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３３】
前記オルタネータは、リニアオルタネータである、請求項１９〜３２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３４】
前記パラメータを監視するステップは、前記原動機の動作周波数に関連するパラメータを監視するステップを含む、請求項１９〜３３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３５】
前記パラメータを監視するステップは、前記原動機の温度、または、前記原動機のクーラントの温度を測定するステップを含む、請求項１９〜３４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３６】
前記パラメータを監視するステップは、前記原動機の始動以来の経過時間を測定するステップを含む、請求項１９〜３５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３７】
前記調整可能な回路の前記共振周波数を調整するステップは、キャパシタンスを調整するステップを含む、請求項１９〜３６のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原動機駆動のオルタネータを、既存の交流電流を有する回路に接続するための装置に関する。本発明は、さらに、そのような回路を動作させる方法と、原動機駆動のオルタネータをそのような回路に接続するため、および切断するための方法とに関する。特に、本発明は、交流電流幹線給電に接続される、スターリングエンジンによって駆動されるオルタネータに関する。
【背景技術】
【０００２】
スターリングエンジン駆動のオルタネータをＡＣ幹線給電に接続するための装置は、国際特許出願番号ＰＣＴ／ＧＢ０１／００８４０号パンフレットで開示されている。その出願の図１は、本明細書の図１として再現されており、スターリングエンジン（図示せず）によって駆動されるリニアオルタネータ１０を示している。幹線給電は、ニュートラル２１とライブ２２との間の２０において示されている。オルタネータ１０は、ニュートラル２１とライブ２２との間に、２本の並列経路３０および４０を通して接続される。第１の電気経路３０は、スイッチ３１とメーター３２とを直列に有する。第２の電気経路４０は、第１のインピーダンス４１と、第２のインピーダンス４２と、スイッチ４３と、メーター４４とが、その順序で直列に接続されたものを有する。インピーダンス４１と４２との間で、ライン５０が、２つのスイッチ５１と５２とを介してニュートラル２１に接続されるように伸びている。
【０００３】
オルタネータ１０を幹線給電２０に接続するには、スターリングエンジンが最初に始動されてしきい値温度に到達していなければならず、その後は、オルタネータ１０を幹線給電２０に接続して、スターリングエンジンのピストンを始動させることが可能となる。幹線給電２０への接続は、スイッチ３１、４３、５１、および５２のさまざまな配置に対応する段階のシーケンスを通して実現される。特に、スイッチ４３は、オルタネータ１０が幹線給電２０に、最初にインピーダンス４１および４２を通して接続されることを可能にし、それによって、オルタネータ１０を通過する電流を制限する。これによって、スターリングエンジンのピストンに、そのストロークを始動するための適切な力が及ぼされること、すなわち、動きを開始するための十分な力は提供されるが、その力は、ピストン燃焼室の壁にピストンが打ち込まれることを引き起こすほど大きなものではないことが保証される。エンジンは、次に、経路３０を通して幹線給電２０に直接接続されてもよい。ライブ２２とニュートラル２１との間にインピーダンス４１を配置することによって、オルタネータ１０がストールさせられた後にのみ、オルタネータ２０は幹線給電から切断される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の設計は良好に動作するが、発明者らは、それに対する改良を開発した。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１の態様によれば、本発明は、原動機駆動のオルタネータを、既存の交流電流を有する交流電流回路に接続するために動作するコネクタ装置にあり、ここで、コネクタ装置は、原動機の初期動作周波数に対して同調された第１の共振周波数と、初期動作周波数に対して離調された第２の共振周波数との間で調整することが可能な、調整可能な共振周波数を有する回路を含む。
【０００６】
コネクタ装置の調整可能回路内での、調整可能な共振周波数の提供は、それによって、原動機（その動作条件により変化することがある、独自の共振周波数を有する可能性がある）の正確な動作条件に合わせて動作を調整することが可能になるため、有利である。したがって、初期始動条件を基準にして同調された回路が最初に使用されてもよく、その後、離調された回路に切り換えられてもよい。例えば、スターリングエンジンが原動機として使用されてもよく、そしてこの場合、冷えた状態からの始動中に同調回路を使用することが、特に、図１に示す従来技術の回路と比較した場合に、有利であることが見出された。冷えた状態からの始動中に同調回路を使用することが特に有利である理由は、それによって、（例えば、ディスプレーサに対する、またはピストン燃焼室の壁に対するピストンの）内部衝突を発生させる可能性がある、始動時の過渡事象の影響が最小になるためである。さらに、同調回路の使用は、始動時に原動機によって生成されるノイズの減少をもたらす可能性もある。
【０００７】
しかし、原動機の長期にわたる動作の間は、または、交流電流回路へのオルタネータの初期接続の間でさえも、同調回路の使用は必ずしも有利ではないことも、発明者らは認識した。例えば原動機が上昇した温度にある場合など、特定の状況では、離調回路の使用が有利な可能性があることを見出した。これは、以前のシャットダウンの直後にスターリングエンジンを再始動する場合、または、スターリングエンジンの初期始動の一定期間後に、その温度が上昇し始めた場合に対応する可能性がある。好都合には、第２の共振周波数は、通常の運転温度における原動機の動作に同調される。これによって、原動機が暖機運転され、上昇した温度で動作している場合に、より良好な動作が提供される。
【０００８】
任意選択で、同調回路と離調回路との間の切り換えは、可変キャパシタンスを使用して実装されてもよい。例えば、コネクタ装置は、少なくとも第１および第２のキャパシタンス値をコネクタ装置に提供するように動作可能な、１つまたは複数のキャパシタをさらに備えてもよく、ここで、第１のキャパシタンス値は同調回路を提供し、第２のキャパシタンス値は離調回路を提供する。例えば、可変キャパシタンスの使用や、切り換え可能な経路上に並列に配置されたキャパシタの使用など、キャパシタのさまざまな組み合わせが可能である。好ましいが、任意選択のキャパシタ配置は、添付の特許請求の範囲に記載されている。
【０００９】
任意選択で、コネクタ装置は、交流電流回路にオルタネータを接続するように動作可能なスイッチを、さらに備えてもよい。これにより、交流電流回路へのオルタネータの接続、および交流電流回路からのオルタネータの切断が、より容易になる。
【００１０】
コネクタ装置の、その他の、好ましいが、任意選択の特徴は、添付の特許請求の範囲に記載されている。
【００１１】
第２の態様からは、本発明は、原動機駆動のオルタネータを、既存の交流電流を有する交流電流回路に接続するためのコネクタ装置を動作させる方法にあり、この方法は、原動機のパラメータを監視するステップと、パラメータがしきい値を通過した場合に、コネクタ装置の調整可能回路の共振周波数を調整するステップとを含む。
【００１２】
任意選択で、パラメータは、原動機の動作時間（例えば、原動機の始動以来の経過時間）、原動機の温度、または原動機の内部圧力であってもよい。
【００１３】
第３の態様からは、本発明は、２つの端子間で電流を生成するように構成された原動機駆動オルタネータを、既存の交流電流を有する交流電流回路に接続するための方法にあり、この方法は、（ａ）オルタネータを駆動するように構成された原動機が、実質的に動作できず、かつ、オルタネータに電流を生成させることもできなくなるような値のインピーダンスを、オルタネータの端子間に接続するステップと、（ｂ）接続先の回路内の交流電流の周波数でオルタネータを駆動するための適切な条件内にあるように、原動機を初期化するステップと、（ｃ）オルタネータが原動機の動作を開始させるために、既存の交流電流を有する回路にオルタネータの端子を接続するステップとを含み、さらに、ステップ（ｂ）および（ｃ）に並行して、原動機のパラメータを監視するステップと（任意選択で、上記のパラメータのいずれか）、パラメータがしきい値を通過した場合に、コネクタ装置の調整可能回路の共振周波数を調整するステップとを含む。
【００１４】
好ましくは、スターリングエンジンが原動機として使用され、その理由は、スターリングエンジンは、外部熱源により加熱されることによって初期化されることができ、その後は、非常に迅速に稼働状態に持って行くための準備ができた状態に留まるためである。可動部であるピストンが比較的軽く、非常に容易に静止状態から加速されることが可能なため、スターリングエンジンの始動には少量のエネルギーしか必要とされない。
【００１５】
スターリングエンジンは、通常、原動機駆動のオルタネータが接続される回路（通常は幹線電源）からの交流電流を、オルタネータのステータに、（突入電流を制限するため、およびオルタネータの位相を幹線の位相に近付けるための）適切なインピーダンスを通して印加することによって始動される。
【００１６】
第４の態様からは、本発明は、原動機駆動のオルタネータを、既存の交流電流を有する交流電流回路から切断するための方法にあり、この方法は、（ａ）原動機駆動のオルタネータと並列にインピーダンスを接続するステップであって、原動機によるオルタネータの駆動を阻止し、それにより原動機をストールさせるために、インピーダンスは、オルタネータが出力可能な電流を上回る電流を要求する十分に低いインピーダンス値を有するステップと、（ｂ）既存の交流電流を有する回路からオルタネータを切断するステップとを含み、さらに、ステップ（ａ）および（ｂ）に並行して、原動機のパラメータを監視するステップと（任意選択で、上記のパラメータのいずれか）、パラメータがしきい値を通過した場合に、コネクタ装置の調整可能回路の共振周波数を調整するステップとを含む。
【００１７】
上記の方法のいずれについても、共振周波数を調整するステップは、任意選択で、原動機の初期動作に対して同調された第１の共振周波数と、原動機の初期動作に対して離調された第２の共振周波数との間で調整するステップを含んでいてもよい。任意選択で、第２の共振周波数は、通常の運転温度における原動機の動作に対して同調されていてもよい。
【００１８】
オルタネータを、幹線から切断する前にストールさせることによって、切断時に発生するアーキングは大幅に減少する。
【００１９】
上記の方法の、その他の、好ましいが、任意選択の特徴は、添付の特許請求の範囲に記載されている。
【００２０】
ここで、本発明を示す例について、添付の図面を参照して説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
原動機駆動のオルタネータ１０２を、幹線給電１０４を有する回路に接続するため、および切断するためのコネクタ装置１００を図２ａに示す。本例では、コネクタ装置１００は、スターリングエンジン１０３によって駆動されるオルタネータ１０２を含む。ただし、ガスエンジン、内燃機関、または蒸気タービンなどの、その他の任意の適切な原動機も適している。当業者にとって直ちに明らかになるように、任意の適切なオルタネータが使用されてもよいが、リニアオルタネータが、スターリングエンジン１０３などのレシプロエンジンとともに良好に動作することが見出されているため、現在のところ好ましい。幹線給電は、１０４で示されており、ニュートラル１０６とライブ１０８との間にわたっている。幹線給電１０４は、既存の交流電流を有する回路として働く。
【００２２】
オルタネータ１０２は、２つの端子１１０および１１２を有し、そのうちの１つである１１０はニュートラル１０６に接続される。もう一方の端子１１２は、キャパシタ装置１１７を経由して、２つの並列経路１１４および１１６によって、幹線給電１０４に接続可能である。以下でさらに詳細に説明するように、キャパシタ装置１１７は、調整可能な共振を回路に提供するように調整可能であり、それによって、コネクタ装置１００は、スターリングエンジン１０３の初期動作条件を基準にして同調または離調されることが可能となる。第１の電気経路１１４は、リレースイッチ１１８と電流メーター１２０とを直列に含む。第２の電気経路１１６は、第１のインピーダンス１２２と、リレースイッチ１２６と、第２のインピーダンス１２４と、電流メーター１２８とを、その順序で直列に有する。本例では、第１のインピーダンス１２２は２７Ωであり、第２のインピーダンス１２４は１０Ωである。
【００２３】
図２ａからわかるように、電気経路１３０は、メーター１２８を越えたところから伸びており、ニュートラル１０６を経路１１６に、２つの接続点１３３および１３４において接続する。接続点１３３は、電気メーター１２８の幹線給電側に位置するのに対して、接続点１３４は、インピーダンス１２２と１２４との間に位置する。リレースイッチ１３２は、閉位置にある場合に点１３３においてニュートラル１０６とライブ１０８との間の電気的接続を提供するように、電気経路１３０内に、接続点１３４に隣接して提供される。電気経路１１６内のリレースイッチ１２６も、接続点１３４に隣接して配置される。閉じられている場合、リレースイッチ１２６は、オルタネータ１０２をライブ１０８に接続する電気経路１１６を完成させる。図２ａおよび図８に示す、リレースイッチ１２６と１３２との対向配置は、両方がそれらの開位置にある場合に、ニュートラル１０６からライブ１０８への接続点１３４を経由した電気経路１３０を、それらのリレースイッチが完成させるようなものである。
【００２４】
図８は、コネクタ装置１００の構成要素の物理的配置をより良く例示するものであり、電気経路１３０を通して（接続点１３３のみを経由して）電流が流れた場合に、スイッチ１１８が閉じられて、経路１１４が完成されるように、経路１３０はリレースイッチ１１８のコイルを通過していることを示している。１１８ａで示されているように、コイルは、電気経路１３０内に導入される固有のインピーダンスを有する。
【００２５】
幹線給電１０４へのオルタネータ１０２の接続について説明する。
【００２６】
図２ａに示す回路は、スターリングエンジン１０３がアイドルで、オルタネータ１０２が幹線給電１０４に接続されない場合に採用される。図２ａの回路は、図２ｂに示す回路によって、より単純に表すことができる。オルタネータ１０２とキャパシタ１３６とがインピーダンス１２２との直列回路を形成するように、隣接するスイッチ１２６および１３２は両方とも開かれ、ニュートラル１０６とライブ１０８とが接続点１３４を経由して接続されている。インピーダンス１２２は２７Ωであるように選択されており、その理由は、この値が、インピーダンス１２２を通過する十分な電流をオルタネータ１０２が生成できないことを確実にするための十分な値だからである。したがって、スターリングエンジン１０３はストールし、静的状態に保たれる。
【００２７】
動作を開始するには、スターリングエンジン１０３が、そのピストン燃焼室の一方の端に熱を加え、もう一方の端を冷却することによって、動作状態にされる。エンジン１０３が十分に暖機運転されて、定常状態の動作が達成されたら、オルタネータ１０２は幹線給電１０４に接続されてもよい。温度検出器１４４（例えば、熱電対）によって測定される、エンジン１０３の温度１８０℃が、定常状態の動作を示すものと見なされる。
【００２８】
オルタネータ１０２を幹線給電１０４に接続することによってエンジンのピストンを始動させることが望ましい場合は、図３ａに示すようにリレースイッチ１２６が閉じられて、図３ｂに示す実効回路が作成される。リレースイッチ１２６を閉じる動作によって、ニュートラル１０６とライブ１０８とを接続点１３４を経由して接続する電気経路は切断され、その代わりに、オルタネータ１０２とキャパシタ１３６とを幹線給電１０４に、インピーダンス１２２と１２４とメーター１２８とを経由して接続する電気経路１１６が完成される。インピーダンス１２２および１２４の、特定の合計インピーダンス値は、使用される特定のスターリングエンジン１０３とオルタネータ１０２との組み合わせに依存して選択される。本例では、合計インピーダンスは３７Ωに選択されている。これは、オルタネータ１０２のコイルを通過する、幹線１０４からの供給電流を規定し、さらには、オルタネータ１０２のコイル内の可動部分に与えられる力を規定する（この場合、可動部分は、スターリングエンジン１０３のピストンである）。与えられる力は、ピストンの動きを開始させるのに十分である必要があり、それにもかかわらず、設計された移動範囲を超えてピストンを駆動するほど大きすぎてはならない。その理由は、それによってオルタネータ１０２またはスターリングエンジン１０３が損傷する可能性があるためである。
【００２９】
本発明の接続装置１００は、オルタネータ１０２の原動機としての、スターリングエンジン１０３とともに使用するのに特に適している。その理由は、スターリングエンジン１０３は、迅速に稼働状態に持って行くことができ、その後は、オルタネータ１０２を幹線給電１０４に接続するための準備ができた、定常状態に留まるためである。さらに、ピストンが比較的軽く、非常に容易に静止状態から加速されることが可能なため、幹線給電１０４を使用してピストンストロークを開始させることによってスターリングエンジン１０３を始動するために、少量の力しか必要とされない。ピストンストロークがエンジン１０３の通常動作の間、リニア単振動によって継続され、幹線給電１０４の交流電流によって駆動される。
【００３０】
幹線給電１０４への接続に先立ってスターリングエンジン１０３を加熱することにより、幹線給電１０４のための適切な電力特性の電気をオルタネータ１０２が生成することが保証される。幹線給電１０４の交流電流を使用してピストンストロークを開始させることにより、幹線給電１０４と同じ周波数で、かつ同相で、オルタネータ１０２が駆動されることが保証される。
【００３１】
電気経路１１６内に提供される電流メーター１２８は、電気経路１１６が接続され次第にライン１１６を通して流れる電流の示度を提供する。接続後は、メーター１２８によって測定される電流は、その値が予想される値以内であることを確認するために検査される。この検査によって、インピーダンス１２２および１２４と、リレースイッチ１１８、１２６、１３２、および１４０の接点とがうまく動作していることの指標が提供される。メーター１２８によって測定される電流は、コントローラ１４２によって読み取られ、コントローラ１４２は、コネクタ装置１００が正しく機能していることを確認するために、読み取った電流を予想値と比較する。測定された値が予想値の外にある場合は、以下に説明するように、コントローラ１４２は緊急シャットダウン手順を実行する。
【００３２】
通常の状況下では、メーター１２８の読み取り値は予想値以内になり、したがって、コントローラ１４２は、電気経路１３０に沿って、接続点１３３を経由して、ニュートラル１０６をライブ１０８に接続するために、スイッチ１３２を閉じさせる。この切り換え動作によって、図４ａおよび図４ｂに示す回路が作られる。コントローラ１４２が切り換え動作を行うのは、前の切り換え動作の後、５００ｍｓの遅延の後にのみである。
【００３３】
上記で説明したように、接続点１３３から電気経路１３０に沿って電流を通すと、リレースイッチ１１８が作動して、スイッチ１１８は閉じられ、それによって、図５ａおよび図５ｂに示す回路が作られる。リレースイッチ１１８が閉じられるのは、わずかな短い遅延の後なので、図４ａおよび図４ｂの回路は過渡的なものにすぎない。スイッチ１１８が閉じられると、オルタネータ１０２とキャパシタ１３６とを幹線給電１０４に連結し、インピーダンス１２２と１２４とを短絡させる、電気経路１１４が完成される。ライン１１４を通る電流が整定するための適切な期間（例えば、１００ｍｓ）が経過した後で、メーター１２０を通る電流が、予想値以内であるかどうかを確認するために、コントローラ１４２によって検査される。予想値以内でない場合は、以下に説明するように、コントローラ１４２は緊急シャットダウン手順を開始する。
【００３４】
通常の状況下では、電流は通常の範囲内になるため、コントローラ１４２はスイッチ１２６を開かせて、インピーダンス１２２および１２４を含む電気経路１１６が切断されるようにする。したがって、オルタネータ１０２は、次に、図６ａおよび図６ｂに示すように、幹線給電１０４に直接接続される。電気経路１３０内のインピーダンス１１８ａは、電気経路１３０がオルタネータ１０２を短絡させることがないように、電気経路１３０に沿って流れる電流がごくわずかにすぎないようにするものである。
【００３５】
このようにオルタネータ１０２が幹線給電１０４に接続されている場合に、スターリングエンジン１０３の通常の動作は、状況の要求に従って、オルタネータ１０２が幹線給電１０４に電気を供給しながら、または幹線給電１０４から電気の供給を受けながら継続されてもよい。
【００３６】
上記のように、コネクタ装置１００の動作は、マイクロプロセッサまたはそれに類似したものであってもよい、コントローラ１４２によって管理される。コントローラ１４２は、図９に示しており、メーター１２０および１２８のそれぞれへのデータリンク１４６、１４８と、スターリングエンジン１０３の温度検出器１４４へのデータリンク１５０とを備えている。コントローラ１４２は、さらに、リレースイッチ１２６、１３２、および１４０のそれぞれへの作動リンク１５２、１５４、および１５６も有する。作動リンク１５２、１５４、および１５６は、リレースイッチ１２６、１３２、および１４０を作動させるために、２４Ｖの信号を供給する。
【００３７】
コントローラ１４２は、オルタネータ１０２を幹線給電１０４に上記のように接続するための、コネクタ装置１００のスイッチングを管理する。これは以下のように、そして、図１０に示すように、要約することができる。
【００３８】
２００において、スターリングエンジン１０３はアイドルであり、図２ａおよび図２ｂに示すように、オルタネータ１０２およびキャパシタ１３６はインピーダンス１２２に接続されている。これは、次のスイッチング配置に対応する。
スイッチ１１８…開
スイッチ１２６…開
スイッチ１３２…開
【００３９】
スターリングエンジン１０３が１８０℃を超えると、２０２において接続が開始される。これは、（図３ａおよび図３ｂに示すように）インピーダンス１２２および１２４を経由して幹線給電１０４に接続するために、コントローラ１４２がリレースイッチ１２６を作動させることによって行われる。これは、次のスイッチング配置に対応する。
スイッチ１１８…開
スイッチ１２６…開→閉
スイッチ１３２…開
【００４０】
２０４において、メーター１２８を通過する電流が検査される。異常な場合は、２０５において緊急シャットダウンが実行される。正常な場合は、５００ｍｓの遅延の後に、２０６においてコントローラ１４２はスイッチ１３２を閉じて、図４ａおよび図４ｂの回路を作り、それによってリレー１１８に電流を送る。この過渡的な回路は、次の配置に対応する。
スイッチ１１８…開
スイッチ１２６…閉
スイッチ１３２…開→閉
【００４１】
リレー１１８を通過する電流は、そのスイッチを短い遅延の後に閉じさせ、それによって、図５ａおよび図５ｂに示すように、そして図１０の２０８において示すように、幹線給電１０４への短絡経路１１４を形成する。これは、次の配置に対応する。
スイッチ１１８…開→閉
スイッチ１２６…閉
スイッチ１３２…閉
【００４２】
２１０において、メーター１２０を通過する電流が検査される。異常な場合は、２１１において緊急シャットダウンが実行される。正常な場合は、１００ｍｓの遅延の後に、２１２においてコントローラ１４２はスイッチ１２６を開いて、インピーダンス１２２および１２４を通る電気経路１１６を切断する。オルタネータ１０２は、これによって、図６ａおよび図６ｂに示すように、幹線給電１０４に直接接続される。これは、次のスイッチング配置に対応する。
スイッチ１１８…閉
スイッチ１２６…閉→開
スイッチ１３２…閉
【００４３】
コントローラ１４２は、さらに、ここで説明するように、幹線給電１０４からのオルタネータ１０２の切断も管理する。
【００４４】
オルタネータ１０２を幹線給電１０４から切断することが望ましい場合、スターリングエンジン１０３のヒーターがオフにされ、スターリングエンジン１０３内の余熱は、図６ａおよび図６ｂに示すように存続しているコネクタ装置１００によって使い果たされる。
【００４５】
スターリングエンジン１０３が臨界温度よりも下に低下した場合、スターリングエンジン１０３の動作においてよく知られているように、オルタネータ１０２は、幹線給電１０４に電力を供給するのではなく、幹線給電１０４から電力の供給を受け始める。スターリングエンジン１０３上に提供される温度検出器１１４は、コントローラ１４２に接続されており、それにより、この臨界温度にいつ到達されたかをコントローラが判定することが可能になっている。本例で使用されるスターリングエンジン１０３内では、この臨界温度は１６０℃である。コントローラ１４２は、次に、スイッチ１３２を開いて、図７ａおよび図７ｂに示す回路が実現されるようにする。インピーダンス１２２がオルタネータ１０２の両端にわたって再び配置され、スターリングエンジン１０３は、インピーダンス１２２を通して駆動される十分な電流を生成できないため、ストールさせられる。
【００４６】
スイッチ１３２を開くと、リレースイッチ１１８を作動させる接続点１３３からの電気経路が切断される。したがって、短い減磁遅延の後で、スイッチ１１８が開いて、オルタネータ１０２は幹線給電１０４から切断される。これにより、コネクタ装置１００は、図２ａおよび図２ｂに示す状態に戻る。減磁遅延によって、オルタネータ１０２がすでに停止されていることが保証されるため、切断時に生成されるアーク放電は、かなり少ないか、またはまったくない。
【００４７】
切断手順は以下のように、そして、図１１に示すように、要約することができる。
【００４８】
最初に、コネクタ装置１００は、図６ａおよび図６ｂに示されているように、そして図１１の２２０において示されているように、通常動作のために設定されている。これは、次のスイッチング配置に対応する。
スイッチ１１８…閉
スイッチ１２６…開
スイッチ１３２…閉
【００４９】
コントローラ１４２は、次に、２２２においてスイッチ１３２を開いて、図７ａおよび図７ｂに示す回路を作る。これによって、インピーダンス１２２がオルタネータ１０２の両端にわたって配置され、それにより、オルタネータ１０２はストールし、リレー１１８を通して流れる電流が停止される。これは、次のスイッチング配置に対応する。
スイッチ１１８…閉→開
スイッチ１２６…開
スイッチ１３２…閉
【００５０】
リレー１１８を通過する電流がないことによって、短い減磁遅延の後で、２２４においてそのスイッチ１１８が開かれ、それにより、オルタネータ１０２は幹線給電１０４から切断される。遅延は、切断の前にオルタネータ１０２が停止していることを保証するために十分なものである。これは、図２ａおよび図２ｂに示す回路を作り、次のスイッチング配置に対応する。
スイッチ１１８…開
スイッチ１２６…開
スイッチ１３２…閉→開
【００５１】
上記の切断手順は、ある期間にわたって広がる、制御されたステップのシーケンスに対応している。しかし、例えばメーター１２０または１２８で検出された電流が正常な値の外にあるなどの、緊急の状況においては、より迅速な切断が必要な場合がある。そのような緊急の状況では、スターリングエンジン１０３からの余熱が使い果たされるのを待たずに、スイッチ１３２が閉じられる。この場合は、オルタネータ１０２が、その通常の条件の外での動作によって損傷を受けることを防止しなければならない。切断手順の残りは、上記の説明のとおりである。
【００５２】
上記のとおり、スターリングエンジン１０３の初期動作周波数を基準にして回路が同調または離調されることを可能にする、調整可能な共振を提供するために、オルタネータ１０２のライブ側に、調整可能なキャパシタ装置１１７が配置される。キャパシタ装置１１７は、オルタネータ１０２に隣接して直列に配置される第１のキャパシタ１３６と、第１のキャパシタ１３６の周囲に並列に配置される、第２のキャパシタ１３８およびリレースイッチ１４０とを備える。第１のキャパシタ１３６および第２のキャパシタ１３８のキャパシタンスは、それぞれ、４０μＦおよび５μＦである。図２ａ〜図７ａに示すように、スイッチ１４０が開いている場合、電流は第１のキャパシタ１３６のみを通して流れることができ、それによって、オルタネータ１０２にとっては４０μＦのキャパシタンスが存在するようになる。これは、冷えた状態から始動される場合のスターリングエンジン１０３の動作周波数に同調された、点ＸとＹとの間の回路に対応する。図１２に示すように、スイッチ１４０が閉じている場合、電流は第１のキャパシタ１３６および第２のキャパシタ１３８の両方を通して流れることができ、それによって、オルタネータ１０２にとっては４５μＦのキャパシタンスが存在するようになる。これは、スターリングエンジン１０３の初期動作周波数を基準にして離調され、しかし、通常の動作温度にある場合のスターリングエンジン１０３の動作周波数に同調された、点ＸとＹとの間の回路に対応する。
【００５３】
冷えた状態からスターリングエンジン１０３が始動され次第、それらの冷えた状態に同調された、オルタネータ１０２を幹線給電１０４に接続するための回路を使用するのが最良であることを、発明者らは見出した。そのような回路は、図２に示すように開かれたスイッチ１４０に対応し、スターリングエンジン１０３を静的状態に保つためにオルタネータ１０２の両端にわたってインピーダンス１２２を有し、接続が望ましい場合に同調回路を提供するためにスイッチ１４０が開かれている。そのような同調回路は、点ＸとＹとの間で、最小の残留インダクタンスを提供する。これは、幹線給電１０４への接続中にスターリングエンジン１０３のピストンとディスプレーサとの内部衝突を発生させる可能性がある、始動時の過渡事象を減少させるため、有利であることを見出した。過渡事象は、冷えた状態での始動中に、エンジン１０３の加熱に伴うスターリングエンジン１０３内のヘリウム圧力の増加によって発生する。圧力の上昇は、ピストンの往復運動を保証するガススプリングの共振周波数を変化させる。オルタネータ１０２によって生成される信号の周波数を決定するのは、ガススプリングの共振周波数である。
【００５４】
ただし、幹線給電１０４に接続されている場合にスターリングエンジン１０３の安定的な動作を維持するには、特にエンジン１０３の温度が高い場合は、スターリングエンジン１０３の初期動作周波数を基準にして離調された、離調回路の使用が有利であることも見出した。好ましくは、共振周波数は、スターリングエンジン１０３が運転温度に達する際の共振周波数に従うように調整されてもよい。これは、点ＸとＹとの間のキャパシタンスを増加することにより実現される。
【００５５】
本発明の一実施形態では、スターリングエンジン１０３を加熱することによってエンジン１０３の動作が最初に始動されてからの経過時間が、タイマ１６０を使用してカウントされる。タイマ１６０は、データリンク１６２を介してコントローラ１４２に接続される。明らかに、エンジン１０３の温度はこの期間中に増加して、１８０℃を超え、それによって、幹線給電１０４へのオルタネータ１０２の接続が開始される。７分が経過すると、同調回路モードでの動作が、離調回路モードでの動作に切り換えられる。
【００５６】
同様に、切断プロセス中に、離調動作から同調動作に切り換えるために、スイッチ１４０の動作が実行される。これは、スターリングエンジン１０３のヒーターがオフにされてからの一定の時間遅延を使用して実行されてもよいが、現在のところは、温度検出器１４４によって測定されるエンジンヘッド温度が、所定の温度２００℃を通過した場合に、スイッチ１４０を動作させることが好ましい。スイッチ１３２が閉じられるのは、エンジンヘッド温度が１６０℃に低下した場合のみであり、したがってコネクタ装置１００は、切断プロセスの開始時には同調回路モードにすでに設定されていることが、上記から想起されるであろう。
【００５７】
特許請求の範囲を逸脱することなく、上記の実施形態に変形が行われてもよいことは、当業者には明らかであろう。
【００５８】
例えば、上記の実施形態では、タイマを使用して、スターリングエンジン１０３の始動以来の経過時間をカウントし、そのカウントによって、コントローラ１４２は、スターリングエンジン１０３の初期動作条件に対する同調から離調への切り換えを作動させる。しかし、エンジンの内部圧力（例えば、エンジン１０３の作動ガス（ヘリウム）の圧力）、またはスターリングエンジン１０３の固有周波数に関連するその他の任意の信号などの、他のパラメータが使用されてもよい。あるいは、温度検出器１４４によって直接測定されるスターリングエンジン１０３の温度が、同調動作と離調動作との間の切り換えを作動させるために使用されてもよい。
【００５９】
具体的には、コントローラ１４２は、スターリングエンジン１０３内に配置された温度検出器１４４によって測定される温度を、データリンク１５０を介して、１５秒ごとに定期的に読み出す。コントローラ１４２は、測定された温度を、３００℃のしきい値温度と比較して、測定された温度がしきい値によりも高いか、または低いかを判定する。コントローラは、次に、この値を、スイッチ１４０の現在の状態と比較し、次の論理表に従って、必要に応じて、作動リンク１５６を介してスイッチ１４０を作動させる。
【００６０】
【表１】
2007526962.tif 000003
【００６１】
このプロセスは、継続的に実行され、上記の接続および切断手順からは完全に独立している。すなわち、コントローラ１４２によるリレースイッチ１４０の動作は、リレースイッチ１１８、１２６、および１３２の動作とは無関係である。しきい値温度に正確にいつ到達するかは、スターリングエンジン１０３の開始温度（周囲温度、またはエンジン１０３の以前の動作以来の経過時間により影響される）、およびエンジン１０３に加えられる熱などの、いくつかの要因に依存する。したがって、スイッチ１４０の動作は、図２ａに対応するコネクタ装置１００を使用した、ピストン始動前のエンジン１０３の加熱中に、または、図３ａ〜図５ａのいずれかに対応するコネクタ装置１００を使用した、幹線給電１０４へのオルタネータ１０２の接続中に、または、図６ａに対応するコネクタ装置１００を使用した、接続の完了後に行われてもよい。同様に、スイッチ１４０の動作は、切断中に、スターリングエンジン１０３が停止され、冷却が許可されるのに伴って行われてもよい。
【００６２】
上記の実施形態で使用されているのは、点ＸとＹとの間のキャパシタンスが変更されることを可能にするキャパシタ装置１１７の、１つのタイプにすぎない。キャパシタンス値の選択範囲は必要に応じて変更されてもよく、可変キャパシタなどの他の代替が、１３８において、または１３６において使用されてもよい。実際には、キャパシタ装置１１７は、１つの可変キャパシタによって置き換えられてもよい。可変キャパシタの使用は、それによって、スターリングエンジン１０３の動作周波数への、コネクタ装置１００の柔軟で連続的な同調が、すべての動作条件下で可能になり、一方で、回路内では常に最小の損失のみが発生するようになるため、有利な場合がある。これは、例えば、フィードバックループを使用して実装されてもよい。
【００６３】
さらに、可変キャパシタンスの使用は、コネクタ装置１００を、同調動作と離調動作との間で切り換える１つの方法にすぎない。例えば、可変キャパシタンスではなく可変インダクタンスがコネクタ装置１００に提供されるように、キャパシタの代わりにインダクタの配置が使用されてもよい。
【００６４】
インピーダンス１２２および１２４の値は、例として提供されているにすぎず、限定することを意図したものでは決してない。インピーダンス１２２および１２４の値は、自由に変更されてもよい。
【００６５】
本発明は、最も広い意味では、既存の交流電流を有する回路への、原動機駆動のオルタネータの接続に適用される。したがって、上記の実施形態のスターリングエンジン１０３は、オルタネータ１０２を駆動する原動機の一例として提示されているにすぎず、幹線給電１０４は、交流電流を有する回路の一例にすぎない。
【００６６】
シャットダウンシーケンスの実行のためには、外部タイミング装置を使用するよりも、機械的に作動されるスイッチを使用する方が好ましく（ただし、必須ではない）、その理由は、万一給電が失われた場合でもシャットダウンの実行が可能になるためである。上記のコネクタ装置１００は、信頼性の高い幹線給電接続と、幹線給電１０４が万一失われた場合の安全な緊急切断との両方を提供する。コネクタ装置１００は、幹線給電１０４との接続および切断の両方を、同じ構成要素を使用して提供することが可能であり、したがって、二重機能を提供することによって構成要素の数を減少させる。
【００６７】
全体的なコネクタ装置設計の使用と同様に、コネクタ装置の部分が、特定の接続または切断適用例のために使用されてもよい。例えば、単独型の発電機のために切断回路が使用されてもよく、送電網に依存しない始動のために接続回路が使用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】原動機駆動のオルタネータを、既存の交流電流を有する回路に接続するための、従来技術によるコネクタ装置を示す。
【図２ａ−７ａ】本発明の実施形態による、スターリングエンジン駆動のオルタネータを幹線給電に接続するためのコネクタ装置を示し、異なる図はさまざまなスイッチング構成を示す。
【図２ｂ−７ｂ】図２ａ〜図７ａに対応する回路を、単純化された等価回路図として示す。
【図８】リレースイッチを示し、構成要素の物理的配置をより良く反映する、図２ａのコネクタ装置のさらなる回路図である。
【図９】コネクタ装置内のリレースイッチを制御するための制御システムを示す。
【図１０】オルタネータを幹線給電に接続するために制御システムが従うシーケンスを示す。
【図１１】オルタネータを幹線給電から切断するために制御システムが従うステップのシーケンスを示す。
【図１２】図６ａに対応しているが、ただし、離調された回路に対応する配置を示す。
【図１】
2007526962.tif 000004
【図２ａ】
2007526962.tif 000005
【図２ｂ】
2007526962.tif 000006
【図３ａ】
2007526962.tif 000007
【図３ｂ】
2007526962.tif 000008
【図４ａ】
2007526962.tif 000009
【図４ｂ】
2007526962.tif 000010
【図５ａ】
2007526962.tif 000011
【図５ｂ】
2007526962.tif 000012
【図６ａ】
2007526962.tif 000013
【図６ｂ】
2007526962.tif 000014
【図７ａ】
2007526962.tif 000015
【図７ｂ】
2007526962.tif 000016
【図８】
2007526962.tif 000017
【図９】
2007526962.tif 000018
【図１０】
2007526962.tif 000019
【図１１】
2007526962.tif 000020
【図１２】
2007526962.tif 000021
【国際調査報告】
2007526962.tif 000022
2007526962.tif 000023