(57)【要約】  スターリングエンジン（１）は、電気出力（７）を生じるために交流発電機を駆動する往復運動ピストンを含む。電流信号（７）が電流モニタ（６０）により測定され、かつ高速フーリエ変換値が生成される。電流信号（７）のＦＦＴは、スターリングエンジンの動作の安定性に直接関連することがわかった。ＦＦＴの調和ピークが増大すると、これは、ピストンのストローク長が安全な最大値に近づいているかまたは超えていることを示す。その結果、スターリングエンジンへの加熱の低減等の補正処置を取ることができる。電流信号（７）のＦＦＴ分析と組み合わせて、または別々に使用するための、様々なストローク長検出器（１１０）も開示されている。スターリングエンジンのケーシングに装着された加速度計に加えて、光学および機械のスイッチならびにアナログセンサが開示されている。
2008506892.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可燃燃料供給器および電力の出力を生じるための発電機を有する家庭用熱電併給ユニットのエンジン内の不安定性を検出するための不安定性検出装置であって、ｄｃｈｐの発電機からの信号を受信し、その信号に対してフーリエ変換を行い、およびフーリエ変換を監視して、ｄｃｈｐユニット内に不安定性が存在または進行していることを示すフーリエ変換内のアーティファクトの存在を確認するために配置されている、装置。
【請求項２】
ｄｃｈｐユニットの発電機からの電流信号を受信し、およびその電流信号のフーリエ変換を行うためにさらに配置される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行うためにさらに配置される、請求項１または請求項２に記載の装置。
【請求項４】
フーリエ変換における非共鳴の調和周波数の存在を確認するためにさらに構成される請求項１、２または３に記載の装置。
【請求項５】
フーリエ変換を監視して、フーリエ変換内の前記アーティファクトの数、および／または大きさの経時変化を確認するためにさらに配置される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
可燃燃料供給器、電力の出力を生じるための発電機および熱出力部を有するｄｃｈｐユニットと、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置とを組み合わせて備えるｄｃｈｐシステム。
【請求項７】
エンジンの頭部に熱エネルギーを投入して往復運動部材を駆動する燃焼器を有するスターリングエンジンをさらに備え、発電機が、前記往復運動部材により駆動される交流発電機を備える、請求項６に記載のｄｃｈｐユニット。
【請求項８】
フーリエ変換の前記アーティファクトの存在を示す、不安定性検出装置からの出力を受信するために配置される制御装置をさらに備え、装置の前記出力がフーリエ変換にアーティファクトが存在することを示す場合に、制御装置は、ｄｃｈｐエンジンを制御して不安定性の存在を減少するように構成されている、請求項６または請求項７に記載のｄｃｈｐユニット。
【請求項９】
制御装置は、不安定性検出装置から受信した出力がフーリエ変換にアーティファクトが存在することを示す場合に、燃焼器を調整して、次にスターリングエンジンへの熱エネルギーを制御するために配置される、請求項７に従属する場合の請求項８に記載のｄｃｈｐユニット。
【請求項１０】
熱出力を生成可能である可燃燃料供給器、および電力の出力を生じる発電機を有する家庭用熱電併給ユニットのエンジン内の不安定性の検出方法であって、
ｄｃｈｐユニットの発電機からの信号を受信すること；
その信号に対してフーリエ変換を行うこと；および
フーリエ変換を監視して、ｄｃｈｐエンジンにおいて不安定性が存在または進行していることを示すフーリエ変換内のアーティファクトの存在を確認すること
を含む方法。
【請求項１１】
フーリエ変換を行うステップが、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行うことを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１２】
発電機から信号を受信するステップが、そこから電流信号を受信することを含む、請求項１０または請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
フーリエ変換を監視するステップが、フーリエ変換内の非共鳴の、調和ピークを確認することを含む、請求項１０、１１または１２に記載の方法。
【請求項１４】
ある期間にわたって発電機の信号のフーリエ変換を監視すること；および
その期間にわたって、ｄｃｈｐエンジンにおける不安定性の増大を示す、フーリエ変換のアーティファクトの数および／または振幅の増大を確認すること
をさらに含む、請求項１０、１１、１２または１３に記載の方法。
【請求項１５】
家庭用熱電併給ユニットのエンジンにおける往復運動部材のストローク長を測定するためのストローク長検出器であって、
ｄｃｈｐエンジンの振動レベル検出用の振動検出器；および
振動検出器の出力を受信して、そこから、往復運動部材のストローク長を表す、ストローク長検出器の出力を生じるために配置される処理装置
を備えるストローク長検出器。
【請求項１６】
ｄｃｈｐユニットが接続されている主電源の周波数、および／またはｄｃｈｐユニットに関連する交流発電機の出力の周波数を測定するために配置される周波数モニタをさらに備え；処理装置は、測定された周波数に基づいて、検出された振動レベルに補正を適用するためにさらに配置されている、請求項１５に記載のストローク長検出器。
【請求項１７】
振動検出器は、エンジンに連通して装着され、その一部の加速度を測定するための加速度計である、請求項１５または請求項１６に記載のストローク長検出器。
【請求項１８】
往復運動部材を備えるエンジンを有するｄｃｈｐユニット、および
請求項１５、１６または１７に記載のストローク長検出器
を備えるｄｃｈｐシステム。
【請求項１９】
ｄｃｈｐユニットと本線の電源との間のグリッドインターフェースをさらに備え、グリッドインターフェースは、ストローク長検出器の周波数モニタから受信される、時間に応じた本線の周波数を示す出力を有する、請求項１８に記載のｄｃｈｐシステム。
【請求項２０】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の不安定性検出装置および請求項１５、１６または１７のいずれか１項に記載のストローク長検出器の組み合わせ。
【請求項２１】
往復運動部材を備えるエンジン；
可燃燃料供給器；
熱出力部；および
電力の出力を生成するための発電機；
を有するｄｃｈｐユニットと、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の不安定性検出装置と；
ストローク長検出出力を生じるために配置されるストローク長検出器と；
不安定性検出装置から発電機出力のフーリエ変換におけるアーティファクトの存在の表示を第１の入力として受信し、ストローク長表示器から前記ストローク長の検出出力を第２の入力として受信し；および第１の入力、第２の入力、または双方に応じて、ｄｃｈｐユニットを制御して、往復運動部材のストローク長を縮小するために配置されるシステム制御装置と
を備えるｄｃｈｐシステム。
【請求項２２】
ｄｃｈｐユニットのエンジンが、往復運動部材を駆動するためにエンジンの頭部に熱エネルギーを投入するための燃焼器をさらに備え、システム制御装置は、燃焼器を制御してエンジンの頭部への投入熱エネルギーを削減し、それによりシステム制御装置への前記第１および／または第２の入力に応じて往復運動部材のストローク長を縮小するために配置されている、請求項２１に記載のｄｃｈｐシステム。
【請求項２３】
システム制御装置は、システム制御装置への前記第１および／または第２の入力に応じて、エンジンを制御して、往復運動部材を停止するために配置される、請求項２１または請求項２２に記載のｄｃｈｐシステム。
【請求項２４】
ストローク長検出器は、ストローク長の検出出力を生じるために、往復運動部材がオーバーストローク状態に近づくかまたは超える時に動作可能なスイッチを含む、請求項２１、２２または２３のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２５】
スイッチが機械スイッチを備える、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
スイッチが光学スイッチである、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２７】
光学スイッチは、光ビームを生成する手段、光ビームを受信する手段を備え、光学スイッチは、往復運動部材と直接または間接的に往復運動する構成要素がオーバーストローク状態に近づくかまたは超えた結果、光学スイッチの前記光ビームを遮断する場合に、前記ストローク長の検出出力を生じるように配置されている、請求項２６に記載のシステム。
【請求項２８】
ストローク長検出器は、往復運動部材の、少なくともその移動の先端周辺の位置を示す、ストローク長の検出出力を生じるために配置される、請求項２１、２２または２３のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２９】
ストローク長検出器は、ｄｃｈｐユニットに延在し、かつ少なくとも往復運動部材の移動の先端周囲にある時間中、往復運動部材と共に動く前記ｄｃｈｐユニットの一部と接触するように配置される可動部材を含む、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３０】
ストローク長検出器は、ｄｃｈｐユニットに装着され、かつそこから離れた方向に延在する可動部材を含み、可動部材は、少なくとも往復運動部材の移動の先端周囲にある時間中、ｄｃｈｐユニットの振動に関して固定されている表面または点に接触するように配置されている、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３１】
ストローク長検出器は、可動部材の運動に関連して可変信号である、ストローク長の検出出力を生成するために配置される、請求項２９または請求項３０に記載のシステム。
【請求項３２】
ストローク長の検出出力は、往復運動部材のサイクルにわたって可動部材が動いた距離、可動部材が予め定められた位置から動いている時間、またはｄｃｈｐユニットの往復運動部材と共に動く前記ユニットの一部による接触中に検出された可動部材への圧力に依存する、請求項３０または請求項３１に記載のシステム。
【請求項３３】
ストローク長の検出出力は、少なくともその各サイクルの一部にある間、往復運動部材の位置を示す連続的、または一連の連続的なアナログ信号である、請求項３１または請求項３２に記載のシステム。
【請求項３４】
ストローク長検出器は、光ビームを送信する送信器、および光ビームを受信する受信器を含み、検出器は、往復運動部材が少なくともその運動の先端を通って移動する時の光ビームの遮断に応じて、往復運動部材の位置を示す前記出力を生じるために配置されている、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３５】
ストローク長検出器は、送信器および受信器を含み、かつｄｃｈｐユニットに対して固定位置に装着される第１の部分と、ｄｃｈｐユニットからの光ビームの横方向に延在する光ビームカッターを含み、かつその往復運動部材に応じて動く第２の部分とを備える、請求項３４に記載のシステム。
【請求項３６】
ストローク長検出器は、送信器および受信器を含み、かつｄｃｈｐユニットの一部に装着されているので、その往復運動部材に応じて動く第１の部分と、第１の部分に隣接した点から延在するが、それに対して固定され、かつ使用中、往復運動部材が少なくともその運動の先端を通って移動する時に、光ビームを遮断する第２の部分とを備える、請求項３４に記載のシステム。
【請求項３７】
検出器は、往復運動部材の各サイクル中に光ビームが遮断される時間を積算し、かつその結果検出器の前記出力を生成するために配置される積算器をさらに含む、請求項３４、３５または３６に記載のシステム。
【請求項３８】
ストローク長検出器が、家庭用熱電併給ユニットのエンジン内の往復運動部材のストローク長を測定する振動検出器を備え、ストローク長検出器は、
ｄｃｈｐエンジンの振動レベル検出用の振動検出器；および
振動検出器の出力を受信し、かつそこから往復運動部材のストローク長を表すストローク長検出器の出力を生じるために配置される処理装置
を備える、請求項２１、２２または２３に記載のシステム。
【請求項３９】
ｄｃｈｐユニットが接続される主電源の周波数および／またはｄｃｈｐユニットに関連する交流発電機の出力の周波数を測定するために配置される周波数モニタをさらに備え；処理装置は、測定された周波数に基づいて、検出された振動レベルに補正を適用するためにさらに配置されている、請求項３８に記載のシステム。
【請求項４０】
振動検出器は、エンジンに連通して装着された加速度計であり、その一部の加速度を測定する、請求項３８または請求項３９に記載のシステム。
【請求項４１】
本線の電源に接続しているが、なくても動作可能である家庭用熱電併給ユニットのエンジンにおける往復運動部材のストローク長を測定するための方法であって、
ｄｃｈｐエンジンの振動レベルを検出すること；
ｄｃｈｐが所定の時間接続されている本線の電源の周波数を測定すること；および
測定された本線の電源の周波数に基づいて検出された振動レベルに補正を適用して、往復運動部材のストローク長を表す、ストローク長検出器の出力を生じること
を含む方法。
【請求項４２】
エンジンにおける不安定性を減少または防止するために、ｄｃｈｐユニットにおけるエンジンを制御するための方法であって、
請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の方法を使用してエンジンにおける不安定性を検出するステップ；
エンジン内の往復運動部材のストローク長を測定するステップ；および
不安定性が検出される、測定されたストローク長が予め定められた閾値長さを超える、または双方の場合、エンジンを制御するステップ
を含む方法。
【請求項４３】
エンジンは、往復運動部材を駆動するためにエンジンの頭部に熱エネルギーを投入する燃焼器を備え、方法は、不安定性が存在すると判断される場合、燃焼器を制御してエンジンの頭部への投入熱エネルギーを削減し、それにより往復運動部材のストローク長を縮小することをさらに含む、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
不安定性が存在すると判断、または測定されたストローク長が予め定められた大きさを超えることが測定される場合、往復運動部材を停止することさらに含む、請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
ストローク長を測定するステップは、不安定性の検出ステップにより不安定性が検出される場合、第１の速度および／または第１の精度で行われるが、不安定性の検出ステップにより不安定性が検出されない場合には第２の速度および／または第２の精度で行われ、第１の速度および／または精度は、第２の速度および／または精度よりも高い、請求項４３または請求項４４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、家庭用熱電併給ユニット（ｄｃｈｐ）における不安定性を検出するための方法および装置、特に、限定されないが、ｄｃｈｐユニットにおけるリニアフリーピストン・スターリングエンジンにおけるピストンオーバーストロークを検出および／または防止するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
リニアフリーピストン・スターリングエンジン（ＬＦＰＳＥ）は、家庭用の熱および動力双方を生成するために利用されてもよい。このようなＬＦＰＳＥを組み込んだｄｃｈｐシステムの基本的な動作の態様は、本願出願人の先に公開された様々な特許出願に詳細が記されている。例えば国際公開第０３／０７６８５７号パンフレットを参照のこと。
【０００３】
ＬＦＰＳＥは、一般に可撓性ロッドを介してディスプレーサスプリングに装着されているディスプレーサを備える。ディスプレーサを、上にある空間を加熱することにより、往復運動させる。ディスプレーサの可撓性ロッドの同軸上、半径方向外側にはパワーピストンが装着され、パワーピストンは、ディスプレーサとパワーピストンとの間で作用するガスの力により同様に往復運動する。固定巻き線に対して、パワーピストンと一緒に動くように装着された磁石を備えるリニア発電機により、出力が生じる。
【０００４】
ピストンオーバーストロークの結果、ＬＦＰＳＥの可動部が、固定、または他の可動部と接触するのは、非常に望ましくない（損傷を与える可能性もある）。可動部が、固定、または他の可動部と繰り返し衝突すると、やがて構成要素が磨耗し、かつエンジンの耐用期間を短くするだけでなく、この過程により小粒子（衝突による磨耗により生じる）をもたらし、エンジンの狭い内部通路の流れを妨げる。
【０００５】
エンジンへのエネルギー入力の、最大限の有効利用を図るために、通例、ＬＦＰＳＥをその機械的共振周波数で動作させる。その結果、ピストンストロークが自由であるため、動作条件に応じて往復運動の振幅が変化するので、ピストンオーバーストロークが発生し得る。例えば、このようなピストンオーバーストロークによるエンジンの不安定性の問題に取り組む様々な案が提案されている。これらの案は、概して検出および防止として類別され得る。
【０００６】
防止技術は、一般に、交流発電機の磁石と逆極性の磁石の使用を伴い、パワーピストンが運動の安全範囲外で動き始めると、中心に戻る力を与える。このような構成の一つが、例えば、米国特許第４，９３７，４８１号明細書に記載されている。この技術には、磁石の強さが時間と共に減少し、磁石の「ストッパー」としての効力が減少するかもしれない、という欠点がある。
【０００７】
検出技術は、エンジンのパラメータを監視し、かつ通常、ピストンオーバーストローク等の不安定性が存在するかまたは切迫していると判断した時に迅速に運転停止させる。例えば、安全重視構成要素として、トリップスイッチを有する、吸振器の近接検出器を利用することが知られている。ピストンオーバーストロークは、吸振器の質量体の往復運動の振幅とピストンのストローク長との関係を判断することにより、検出される。
【０００８】
国際公開第２００４／０９４８６０号パンフレットにおいて、外部の機械または光学「オン／オフ」スイッチが、スターリングエンジンの吸振器に装着されており、吸振器の揺動の振幅（これはピストンのストローク長に関連する）が予め設定された最大値をいつ超えるかを確認する。オーバーストローク状態が検出されると、スターリングエンジンへの加熱を低減し、次に、ピストンのストローク長を縮小する。
【０００９】
特開２００３０１４３２２号公報（シャープ株式会社）に開示されているように、別の構成においては、スターリング冷凍機用の衝突防止メカニズムはリニアモータを有し、このストロークは、それに印加される電圧および電流を決定することにより測定される。米国特許第５，８３６，１６５号明細書（ヒューズ・エレクトロニクス（Ｈｕｇｈｅｓ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ））では、振動センサの出力信号のフーリエ解析を行うことにより、スターリング冷凍機の振動を制御する構成が提案されている。
【００１０】
米国特許第６，５３６，３２６号明細書（サンパワー（ＳｕｎＰｏｗｅｒ））に開示されているさらに他の案は、エンジンのケーシングに装着されたマイクロホンを使用して振動の音響測定を行うというものである。ＬＦＰＳＥのピストンのフィードバック制御にマイクロホンの出力を使用して、ピストンの衝突が検出される時にピストン振幅をバックオフする。多くの場合、エンジンをその最大ストローク（最大出力のために）で運転するのが望ましいが、その最大ストロークにおいてオーバーストロークの可能性が最大になるため、エンジンに対して矛盾する要求があることが前述した内容から理解されよう。そのような状況において、ピストンオーバーストロークを通じて不安定性を正確に予測および／または検出することが極めて望ましい。オーバーストロークを検出してエンジンの運転停止を命令する場合、誤検出（ｆａｌｓｅ  ｐｏｓｉｔｉｖｅ）により不必要なエンジンの運転停止が生じる。これらは、（運転停止はいかなる熱または動力出力も停止させるので）よくてもいらいらさせる原因となる。燃焼器の過早点火を回避するためにエンジン燃焼器が閾値温度より低く冷えるまでの間、再始動させる前にかなりの時間待つ必要もある。それゆえ、不必要なエンジンの運転停止は時間を無駄にもする。検出漏れ（ｆａｌｓｅ  ｎｅｇａｔｉｖｅ）は、当然、より許容できないものである。なぜなら（例えばエンジンの運転停止を通した）ピストンオーバーストロークの防止に失敗すると、やがてエンジンの損傷をもたらし得るからである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、エンジンの不安定性の検出および／または防止の問題に取り組む、改良された技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
発明の概要
この背景に対して、および本発明の第１の態様によれば、可燃燃料供給器と、電力の出力を生じるための発電機とを有する家庭用熱電併給ユニットのエンジン内の不安定性を検出するための不安定性検出装置が提供される。この装置は、ｄｃｈｐユニットの発電機からの信号を受信する、その信号に対してフーリエ変換を行う、およびフーリエ変換を監視して、ｄｃｈｐエンジン内に不安定性が存在または進行していることを示すフーリエ変換内のアーティファクトの存在を確認するために配置されている。
【００１３】
例えば、交流発電機からの電流信号が本線（ｍａｉｎｓ）のグリッドインターフェース／家庭用回路に供給される時、この電流信号の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）等の、ｄｃｈｐ発電機からの信号のフーリエ変換内のアーティファクトを監視することで、ｄｃｈｐユニットにおけるエンジンの動作の安定性を監視できる。そのエンジンにおいて不安定性が検出された場合（例えばピストンおよびシリンダー端部／ディスプレーサ等の構成要素が望ましくない程近くなり、かつそれらの間でガススプリング力が作動し始める）には、本格的なオーバーストロークが発生する前にエンジン燃焼器の燃焼速度を低下させる等の修正措置を取ることができ、それゆえ損傷を回避できる。
【００１４】
本発明の第２の態様において、可燃燃料供給器、電力の出力を生じるための発電機、および熱出力部を有するｄｃｈｐユニットと、そのような不安定性検出装置とを有する、ｄｃｈｐシステムが提供される。
【００１５】
本発明のさらなる態様によれば、熱出力を生成可能である可燃燃料供給器を有し、かつ電力の出力を生じる発電機を有する家庭用熱電併給ユニットのエンジン内の不安定性の検出方法が提供される。この方法は、ｄｃｈｐユニットの発電機からの信号を受信すること；その信号に対してフーリエ変換を行うこと；およびフーリエ変換を監視して、ｄｃｈｐエンジンにおいて不安定性が存在または進行していることを示すフーリエ変換内のアーティファクトの存在を確認することを含む。
【００１６】
本発明のさらなる態様によれば、家庭用熱電併給ユニットのエンジンにおける往復運動部材のストローク長を測定するためのストローク長検出器が提供される。このストローク長検出器は、ｄｃｈｐエンジンの振動レベル検出用の振動検出器；および検出された振動レベルを示す振動検出器からの信号を受信するための処理装置を備え、処理装置は往復運動部材のストローク長を表す、ストローク長検出器の出力を生じるために構成されている。
【００１７】
ケーシングの振動が、往復運動部材のストローク長およびエンジン内の構成要素の往復運動の周波数（往復運動部材を含むが、それに限定される必要はない）双方の要因であると判断された。グリッドに接続されている時、振動周波数は、一般的なグリッド周波数の変動の結果、約４７〜５０．５Ｈｚで変化し得る。いわゆるグリッド独立モード（ｇｒｉｄ  ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ  ｍｏｄｅ）で動作している時、スターリングエンジンに接続されている交流発電機は、約２４０Ｖおよび名目上５０Ｈｚで１６Ａまでの電流を生じる。しかしながら、名目上の動作周波数は、その場合、数Ｈｚまたはそれ以上変化してもよい。
【００１８】
名目上動作周波数と実際の動作周波数が同じかまたは似ている時、振動センサ出力は、それだけでピストンのストローク長を良好に表示してもよい。定格（名目上）周波数と実際の周波数との間のばらつきが大きいために、例えば予め記憶された／予め定められたルックアップテーブルを使用して決定される補正要素が、ピストンの位置の正確な推定値を得るために必要かもしれない。
【００１９】
本線の周波数が変化する時にリアルタイムで周波数を調整することにより、例えばケーシングの加速度の周波数補正された測定値を、（振動検出器が加速度計の好ましい実施形態である場合）得ることができる。
【００２０】
（必要な場合周波数が補正される）ケーシングの加速度の測定が、エンジン内部のピストンのストローク長に関して信頼できる表示をもたらすことがわかった。これにより次に、完全に信頼できる、切迫しているオーバーストロークの確認をもたらすことができる。
【００２１】
（発電機の出力信号のフーリエ変換を監視することにより）不安定性の開始を測定するための本発明の態様の技術を、本発明の他の態様の技術と有効に併用し、（ストローク長の光学または機械測定により）ストローク長を正確に測定することができる。特に、これらの技術の併用により、リニアフリーピストン・スターリングエンジン等のｄｃｈｐエンジンの切迫している不安定な動作の早期検出、および必要であれば迅速なエンジンの運転停止ができる堅固で、強力な２段階システムを提供するが、少数の誤検出により不必要なエンジンの運転停止をもたらし、少数の検出漏れによりエンジン損傷の可能性をもたらす。それゆえ、本発明のさらに別の態様によれば、往復運動部材を有するエンジン；可燃燃料供給器；熱出力部；および電力の出力を生成する発電機を有するｄｃｈｐユニットであって、本線の電源に接続されているが、それがなくても動作可能であるｄｃｈｐユニットと；前述の本発明の態様で規定された不安定性検出装置と；ストローク長検出器と；不安定性検出装置から発電機出力のフーリエ変換におけるアーティファクトの存在の表示を第１の入力として受信し、ストローク長表示器から前記ストローク長の検出出力を第２の入力として受信し；および第１の入力、第２の入力、または双方に応じて、ｄｃｈｐユニットを制御して、往復運動部材のストローク長を縮小するために配置されるシステム制御装置とを備えるｄｃｈｐシステムが提供される。
【００２２】
本発明のさらに別の態様において、本発明の他の態様の方法を使用してエンジンの不安定性を検出するステップ；エンジン内の往復運動部材のストローク長を測定するステップ；および不安定性が検出される、測定されたストローク長さが予め定められた閾値長さを超える、または双方の場合、エンジンを制御するステップを含む、エンジンの不安定性を減少または防止するためにｄｃｈｐユニットにおけるエンジンを制御する方法が提供される。
【００２３】
本発明のさらに別の態様によれば、家庭用熱電併給ユニットのエンジンにおける往復運動部材のストローク長を測定するためのストローク長検出器が提供される。この検出器は、往復運動部材との運動のために装着される第１の部分と；第１の部分に対して固定するために装着される第２の部分と；ストローク長を示すために配置された出力部とを備え；第１および第２の部分は、往復運動部材のサイクルの一部のみにわたって相互に連携するように配置されており、出力は、往復運動部材の特定のサイクルのための連携の持続期間または程度に基づいて得られている。その場合、検出器は、往復運動部材の所定のサイクルにおいて２つの部分が連携する時間を積算して、その積算時間および代表的なストローク長に基づいて検出器出力を生じる積算器をさらに含むのが好ましい。
【００２４】
本発明の実施形態は、下記に一例としてのみ、添付の図面を参照して説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
好ましい実施形態の詳細な説明
ｄｃｈｐシステムは、図１に示されているスターリングエンジン１を基にしている。エンジンは、好ましくはリニアフリーピストン・スターリングエンジンであり、その動作は当業界で周知である。ｄｃｈｐシステムで使用するために、エンジンの電気出力は、１６Ａまでの単相出力であるべきである。
【００２６】
スターリングエンジン１は、エンジン燃焼器２からの入熱により駆動される。この燃焼器は、バルブ５の制御下で給気４と混合される可燃性ガス供給３により燃料を供給される。混合流はファン６により燃焼器２に供給される。これにより当業界で周知の方法で、リニア発電機から電気出力７を生成するようにスターリングエンジンを駆動する。流路１０に沿ってポンプ９により水が送りこまれる、本質的に熱交換器であるクーラ８で、スターリングエンジンから熱が取り出される。クーラ８を通る水は次にさらに、スターリングエンジンの頭部を加熱しているエンジン燃焼器からの排出ガスにより、熱交換器１１で加熱される。さらに水を加熱するために、およびスターリングエンジンが作動していない時に水の加熱の独立性を提供するために、熱交換器１１で水を加熱するための補助燃焼器１２が設けられる。補助燃焼器は、バルブ１５の制御下で給気１４と混合される可燃性ガス供給３により燃料を供給される。混合流はファン６により補助燃焼器１２に供給される。
【００２７】
ファン６は、混合バルブ５および１５に空気流を正しく確保するダイバータバルブ（図示せず）を通して、各混合バルブに空気を供給する。代替的な設計においては、別々のファンが使用されて、２つのガス／空気混合バルブ５、１５に空気を供給する。
【００２８】
エンジン燃焼器２および補助燃焼器１２からの、熱交換器１１において熱を与えた排出ガスは、次に排気筒１７に沿って出て行く。この方法において、スターリングエンジン１は電気出力７および熱出力１８を生じ、それらを使用して、例えば、家庭用の必要な温水を提供したり、またはセントラルヒーティングシステムに供給したり、またはこれら両方を組み合わせの装置（コンビ（Ｃｏｍｂｉ）（登録商標）ボイラー）において提供してもよい。
【００２９】
提案されているｄｃｈｐシステムは、１ｋＷまでの電力（正味）を提供するように設計されており、家庭用ネットワークに直接供給し、ゆえにスターリングエンジン１の交流発電機が接続される本線のグリッドからの供給電力と組み合わされる。
【００３０】
図２は、本発明を実装する、エンジンの不安定性の検出および補正システム５０を示す非常に概略化した図を示す。図１および図２に共通している特徴には、同様の参照番号を付してある。
【００３１】
図２において、スターリングエンジン１の一部を形成する交流発電機の電気出力は、電流モニタ６０を介して、本線の電源（グリッド）８０とｄｃｈｐとの間の橋絡の役目を果たすグリッドインターフェース７０に接続される。上で参照した、本願出願人の先に出願された国際公開第０３／０７６８５７号パンフレットに記載されているように、グリッドインターフェースも家の中の家庭用回路に接続され、例えば、電力の切断によりグリッド８０への接続が存在しない緊急状態において、家庭の特定のソケットを作動させる。
【００３２】
スターリングエンジンの一部またはハウジングに装着されているのは、光学または機械センサ１１０であり、光学または機械センサ１１０は、センサ１１０の特異性に応じて、ピストンのストローク長を示すセンサ出力を生じる。下記で説明されるいくつかの実施形態において、センサは「オン／オフ」タイプであり、それゆえピストンのストローク長は許容限度内かそうでないかの単一表示を提供する。他の実施形態は、各ストロークのストローク長（または、少なくとも、ストロークの量）を示す、アナログ信号等の可変（定量的）出力を生じる。図２には、ｄｃｈｐケーシングに装着されているセンサ１１０が概略的に図示されているが、下記の説明により、センサ１１０の性質および目的に応じて、他の適切な位置が選択されてもよいことを理解されたい。
【００３３】
センサ１１０および電流モニタ６０はそれぞれ、システム制御装置１００に接続される。システム制御装置は、センサ１１０および電流モニタ６０からの出力を受け取り、下記で説明される方法で処理して、エンジン１の不安定性、特に、エンジン内部を損傷するかもしれないピストン（図示せず）および／または他の可動部のオーバーストロークを監視する。いかなる不安定性が検出されても、制御装置は、ライン１２０に沿ってガストレイン制御装置１３０まで信号を送信することにより燃焼器２の燃焼速度をバックオフすることができ、次にガストレイン制御装置１３０がガストレイン３を制御する。深刻な不安定性が検出される（または不安定性の増大速度が一定のレベルを超える）場合は、制御装置１００は、燃焼器へのガスの供給を停止することにより、またはその交流発電機回路に停止レジスタのスイッチを入れることでスターリングエンジンに緊急ブレーキをかけることによっても、スターリングエンジン１を完全に運転停止することが可能である。
【００３４】
図２のブロックは制御機能を示すが、多くの例でこれらは別々であってもまたは組み合わされていてもよいことを理解されたい（例えば制御装置１００およびガストレイン制御装置１３０は同じユニットの部分であることもできる）。明瞭にするために、機能を別々に図示している。
【００３５】
システム接続の概要を提供したところで、制御装置１００により実行される個別の検出／監視機能を、以下詳細に説明する。
【００３６】
早期不安定性警告：
電流信号７がグリッドインターフェース７０／家庭用回路９０に供給されるので、交流発電機からの電流信号７を監視することにより、エンジン動作の安定性を監視することができる。不安定性が検出された場合（例えば、ピストンおよびシリンダー端部／ディスプレーサ等の構成要素が望ましくない程近くなり、かつそれらの間でガススプリング力が作動し始める）には、本格的なオーバーストロークが発生する前にエンジン燃焼器２の燃焼速度を低下させる等の修正措置を取ることができ、それゆえ損傷を回避できる。
【００３７】
こうするために、電流モニタ６０で測定される電流信号７は、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）値を生成するために修正される。これは、エンジン動作の安定性に直接関連することがわかっている。図３ａおよび図３ｂは、電流信号７の安定ＦＦＴプロットと不安定ＦＦＴプロットの違いを示す。非共鳴の、調和周波数ピークが検出される場合、これは不安定性が進行していることを示し、内部のエンジンクリアランスが低下していることを警告している。大きさおよび数の双方で調和ピークが増大すると、これは修正措置を考慮し、かつエンジン内部のストローク長についての追加情報にアクセスする必要があることを示す。
【００３８】
ストローク長の確認：
ストローク長を確認する構成の様々な実施形態が、熟考され、特に図４、５、６および７を参照してこれから説明される。これらの構成は、ピストンが予め定められたストロークを超えているかどうかを単純に確認する「オン／オフ」スイッチと、少なくともストロークの一部にわたりピストン位置を示す、連続的にまたは繰り返し出力を生成する「アナログ」タイプの構成との、２つの一般型に分類される。
【００３９】
始めに図４を参照すると、非常に概略的なオーバーストローク検出構成が図示されている。この構成は、図４では一部のみが図示されているスターリングエンジン１のケーシングに取り付けられた吸振器構成の下部取付板１５５に装着された光学センサ１５０を含む。
【００４０】
図５から最もよくわかるように、吸振器構成は、上部および下部取付板１５２、１５５を含む。吸振器の上部取付板１５２からは吸収質量体（ａｂｓｏｒｂｅｒ  ｍａｓｓ）１６５が第１のスプリング１７２により吊るされ、かつ第２のスプリング１７５により下部取付板１５５から支持されている。スターリングエンジンのピストンが往復運動すると吸収質量体１６５が動く一方、上部および下部取付板１５２、１５５は一般的にピストンに対して固定されている。それゆえ吸収質量体１６５の動作は、使用中のピストンの運動（および特に位置）と連動することができる。
【００４１】
図４をさらに参照すると、吸収質量体１６５にはブレード１４０が装着されている。ブレード１４０は、吸収質量体１６５と光学センサ１５０との間の空隙内で、スターリングエンジン１におけるピストンの往復運動の方向と平行方向に往復運動する。往復運動の方向は図４において矢印で示されている。
【００４２】
光学センサ１５０は、カップ状のハウジング１６０を含み、そのカップ状のハウジング１６０の内壁には、光送信器１７０および光受信器１８０が装着または付着されている。送信器１７０から受信器１８０へ光ビームが出される。
【００４３】
使用中、ブレード１４０は、矢印の方向に往復運動して、特定の動作条件下で、光学センサ１５０内で光送信器１７０と光受信器１８０との間に出される光ビームを横断する。
【００４４】
最も単純な実施形態において、ブレード１４０およびセンサ１５０は、オーバーストロークの検出および防止用の「オン／オフ」スイッチの機能を果たすように構成される。上述したように、生成される動力を最大にするために、可能な限り大きな振幅でエンジンが動作するのが望ましい。しかしながら、これは、騒々しいおよび／または損傷する可能性のある、内部の衝突の危険性がある許容限度を超えることなく達成されなければならない。オーバーストローク検出器のこの最も単純な実施形態において、光の動作中、エンジンがその安全な最大振幅で往復運動している時、送信器１７０と受信器１８０との間の光のビームがちょうどブレード１４０の先端で遮断されないように、ブレード１４０はセンサ１５０内に延在するように配置されている。それゆえ、この最大振幅を超えるとすぐに、ブレード１４０の先端が光ビームを遮断する。光ビームの遮断が検出されるとすぐに、制御装置１００（図２）は、燃焼器を調整できるか、またはそうでなければスターリングエンジン１のピストンのストローク長を制限できる。
【００４５】
光学「オン／オフ」スイッチが説明されてきたが、それでもなお、熟練した読者は、類似の機械スイッチを利用することも可能であったことを理解するであろう。この場合、例えば、オーバーストローク時にブレード１４０が機械スイッチに接触する、または機械スイッチを押す。しかしながら、そのような構成の問題は、オーバーストローク状態が発生する時に機械スイッチを破壊し得ることである。言い換えると、これはスイッチを交換するためにｄｃｈｐを部分的に分解する必要性を生じ得る。一方図４の光学スイッチは、この特定の問題を回避するように配置することができる。なぜなら、送信器１７０および受信器１８０がカップ状のハウジング１６０の基部の十分上に配置されているという条件で、ブレード１４０が、スイッチの可動部との機械的な接触なしに、光ビームを遮断し、かつ燃焼器の温度のバックオフまたは緊急運転停止を起動させるからである。
【００４６】
第２の、代替実施形態において、単純な二状態（オン／オフ）スイッチの代わりに、光学センサ１５０を使用して、アナログ出力を生じることができる。ピストンの往復運動の振幅を、可能な限り大きいが、騒々しいおよび／または損傷の可能性のある挙動が生じ得る許容限度を超えずに維持するために、制御装置１００（図２）によりこのアナログ出力を監視することができる。
【００４７】
この代替実施形態において、制御装置を直接または間接的（例えば、デジタルアナログ変換器を通して）に光受信器１８０の出力に接続する。ブレード１４０は、エンジン内のピストンの往復運動の振幅が許容範囲動作の限界に近づき、内部の衝突の危険が生じる時、ブレード１４０が光送信器１７０と光受信器１８０との間の光ビームを横断し始めるような、適切な長さを有する。往復運動の振幅が増大すると、次にブレードは、各サイクルの大部分で光ビームを横断する（すなわち、光受信器１８０は、長時間、光送信器１７０からの光ビームを全く受信しない）。集積タイミング回路（ｉｎｔｅｇｒａｌ  ｔｉｍｉｎｇ  ｃｉｒｃｕｉｔ）を使用することにより、サイクル毎の断続周期を測定してもよい。次に光学センサ１５０はエンジンの制御装置１００に現在の断続周期を示す信号を送信することができるので、制御装置は、いつ臨界振幅に到達するか認識でき、かつ前述したように修正措置を開始することができる。運転パラメータ（すなわち、例えば、ブレード１４０が光ビームの横断を始める許容内の最大往復振幅の大きさ、オーバーストロークの状態を表す制御装置が決定する光ビーム妨害の長さ）は、使用者が予め設定できる。この方式で動作している光学センサは、制御装置にフィードバック信号を提供するように作動して、エンジンへの入熱を調整することにより、いつ往復運動が許容限度内に戻るか、いつ制御装置がエンジン内のピストンの往復運動の振幅を縮小させるために作動したかを示すことができることを理解されたい。
【００４８】
図６および図７は、センサ１５０’のさらに他の代替実施形態を示し、これは例えば、家庭用冷蔵庫において、ドアが開いたときに照明を作動するためのスイッチのタイプに類似する漸進的な機械スイッチを基にする。センサ１５０’は、ハウジング１６０’内部の凹部内に形成される環状の、一般的に導電性接触部１９０を収容するハウジング１６０’を備える。図６に図示されるようにセンサ１５０’は吸収質量体１６５に付着している。センサ１５０’のプランジャ２００は、巻きバネ２１０により、そのカップ状のハウジング１６０’の基部から離れた方向にバネ付勢されている。プランジャは、吸振器の下部取付板１５５に付着されたスイッチ２０５を向いている。
【００４９】
プランジャ２００の外径は、カップ状のハウジング１６０の内径よりもわずかに小さいが、導電性環状スペーサ２２０により適所に放射状に保持されている。
【００５０】
使用中、プランジャ２００の降下により、プランジャはカップ状のハウジング１６０’のボア内を摺動し、かつ環状スペーサ２２０は、図６の矢印で図示される方向にプランジャ２００と共に移動する。環状スペーサ２２０と環状接触部１９０との接触により、制御装置１００（図２）へ電気的信号が送信されている。
【００５１】
図４および図５に関連して上述された第２の実施形態から類推して、光ビームが遮断される時間に応じて時間ベースの信号が生成される場合、図６および図７の構成において、制御装置は、エンジンの下部ケーシングとの接触によりプランジャが押された時に、プランジャの降下期間に比例する信号を受信する。詳細には、制御装置１００は、環状スペーサ２２０が環状接触部１９０と接触している時間に比例する信号を受信し、かつピストンの振幅が増大すると、プランジャは、各サイクルにおいてさらに、かつ長時間押されるので、接触部１９０とスペーサ２２０との間の接触時間は増加する。これは言い換えると、前述したように、制御装置に対して、臨界振幅に到達しており、修正措置が必要であることを示している。
【００５２】
時間ベースではなく圧力の機械スイッチを使用することができたが、図６および図７の時間ベースの構成の利点は、スイッチ自体の破壊を生じる可能性が低いことである。
【００５３】
光学スイッチの機械スイッチに対するさらなる別の利点は、前者はフェイルセーフモードで作動されてもよいことである。万一光学スイッチが故障し、かつ光ビームが存在しない場合、制御装置は、最大オーバーストローク（フルサイクルの光ビームの妨害に相当する）を示す図４のセンサ１５０から信号を受信しているため、エンジンを動作させない。一方、図６および図７の機械スイッチの故障では、制御装置に送信される信号は、環状接触部１９０と環状スペーサ２２０との間の接触がなされていないことを示すので、何の問題も検出されないであろう。それゆえ、図６および図７の実施形態では故障時の代替案が必要となろう。
【００５４】
当然、ブレード１４０を下部取付板１５５に装着させた状態で、図４のセンサ１５０を吸収質量体１６５に装着することは同じく可能である。同様に、相対的に固定された関係であるので、吸振器の上部または下部取付板どちらが使用されるかは問題ではない。実際、ｄｃｈｐユニット上のまたはｄｃｈｐユニットに隣接した他のあらゆる適当な点を利用することが可能であった。同じことが図６および図７のセンサ１５０’に当てはまる。
【００５５】
ストローク長を確認する構成のさらなる他の実施形態において、センサ１１０は、連動スイッチ（図２には図示せず）を備える加速度計である。これはスターリングエンジン１のケーシングに取り付けられており、振動レベル（ケーシングの加速度）を監視する。この実施形態においてセンサ１１０を構成する加速度計からの出力信号１１５は、制御装置１００に送られる。そこで制御装置１００は、グリッドインターフェース７０によりサンプリングされる、グリッドの周波数から得られる周波数補正を適用し得る。ケーシングの振動は、可変の、ストローク長およびエンジン内の構成要素の往復運動の周波数双方の要因であるので、補正が必要であるかもしれない。ｄｃｈｐが本線の電力供給部に接続されている時、エンジン構成要素の往復運動の周波数の振動（英国において）は、一般的なグリッド周波数に応じて一般に約４７〜５０．５Ｈｚである。通常、名目上５０Ｈｚの交流発電機出力を規制するために手段が取られるが、ｄｃｈｐがいわゆるグリッド独立モード（エンジンに接続された交流発電機でのみ電力が生成されている）で動作する時、周波数の変動はこれよりも大きいかもしれない。
【００５６】
実際の動作周波数が名目上の（定格）動作周波数に近いかまたはその動作周波数である場合、加速度計の出力１１５は、補正することなく十分正確にストローク長を示す出力を直接生じてもよい。しかしながら、動作周波数の変動が大きいと、ストローク長の予測を信頼できないものにすることがあるので、（例えば、予め較正されているルックアップテーブルから決定される）周波数補正により、完全に信頼できる、切迫しているオーバーストロークの確認をもたらすことができる。
【００５７】
（必要または適切な場合、周波数が補正される）ケーシングの加速度のこの測定は、エンジン内部のピストンのストローク長に関して信頼できる表示をもたらすことがわかった。
【００５８】
修正措置：
エンジン１の動作が不安定であると示され、かつピストンがオーバーストロークに近づいていると見られる時、すなわち衝突の可能性がある場合、制御装置１００は修正措置の計画を実装する。動作条件の変更は非常に迅速に起こり得るので、これらの行動が表示された危険に適合すること、および全ての高まる危険が数ストローク長（ミリ秒の時間）内に対処されることが望ましい。
【００５９】
示される損傷の危険の可能性の程度に応じて、制御装置１００は、次のことができる。
１．低リスク：エンジン燃焼器２の出力を低下させて切迫している衝突を回避する。燃焼器の燃焼速度の低下は、ピストンのストローク長まで送られるのに数秒かかり得るので、大幅に低下させてから、不必要な電力低減を避けるために、漸進的に増加させることが必要かもしれない。オーバーストロークの危険が減少するまで、この調節プロセスを繰り返すことができる。
【００６０】
代案として、中程度の危険状況において、ｄｃｈｐユニットの交流発電機全体に可変失速抵抗器（ｖａｒｉａｂｌｅ  ｓｔａｌｌ  ｒｅｓｉｓｔｏｒ）のスイッチを入れて、運転停止させずにｄｃｈｐエンジンを減速させることが可能である。これにより、より緩慢に補正するために燃焼器を低減することができる。
【００６１】
２．高まるリスク：衝突の危険が急速に増大する場合、エンジン燃焼器２全体を運転停止するか、または「停止」抵抗器（図示せず）全体の交流発電機回路（同じく図示せず）のスイッチを入れて、即時停止させる必要があるかもしれない。安全に再始動するために必要な時間のために（可燃混合気を再許可する前に過早点火するのを防ぐために、燃焼器２は閾値温度より低く冷やされなければならず、それから再点火が開始される）、これは不可欠な場合にのみ行われる。
【００６２】
交流発電機電流７のＦＦＴプロットとセンサ１１０からの信号１１５とを組み合わせた分析により、新規の２段階オーバーストローク／不安定性検出システム５０を提供することができる。ＦＦＴプロットは、進行中の不安定性に対する早期警告を与えるので、センサ出力、特に光学センサからのアナログ出力（図４および図５）、機械的なプランジャ（図６および図７）または加速度計（図２）の場合、より厳密に監視することができる。修正措置の必要性があってもなくても不安定性を短時間で補正するので、運転停止の必要がないかもしれない。代替的に、必要であれば、エンジンの運転停止を現在の設計で可能なものよりも信頼性のあるもの、またはどちらか単独で使用される方法（光学／機械センサまたはＦＦＴプロット）で合図することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
図面の簡単な説明
【図１】スターリングエンジンシステムの概略図であって、システムへの様々な入力および出力を示している。
【図２】図１のスターリングエンジン用の不安定性の検出および補正システムの概略図である。
【図３ａ】安定動作条件下の、図１および図２のスターリングエンジンからの現在の出力の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を示す。
【図３ｂ】不安定動作条件下の、図１および図２のスターリングエンジンからの現在の出力の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を示す。
【図４】本発明の好ましい特徴を実装し、スターリングエンジンの一部を含む、ピストンオーバーストローク検出器の概略断面図を示す。
【図５】図４のピストンオーバーストローク検出器の位置を示すために、スターリングエンジンを概略的に示す。
【図６】本発明の好ましい特徴の代替実施形態である、ピストンオーバーストローク検出器の概略断面図を示す。
【図７】図６の検出器を第三角法（ｔｈｉｒｄ  ａｎｇｌｅ  ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ）で示す。
【図１】
2008506892.tif 000003
【図２】
2008506892.tif 000004
【図３ａ】
2008506892.tif 000005
【図３ｂ】
2008506892.tif 000006
【図４】
2008506892.tif 000007
【図５】
2008506892.tif 000008
【図６】
2008506892.tif 000009
【図７】
2008506892.tif 000010
【国際調査報告】
2008506892.tif 000011
2008506892.tif 000012
2008506892.tif 000013