NO20110194A1

NO20110194A1 - Apparatus and method for adaptive control of the operating temperature of a cooling object and the use of a reverse beta-configured Stirling cycle to control the temperature of the cooling object

Info

Publication number: NO20110194A1
Application number: NO20110194A
Authority: NO
Inventors: Phil Teague
Original assignee: Latent As
Priority date: 2011-02-03
Filing date: 2011-02-03
Publication date: 2012-08-06
Also published as: WO2012105845A1

Abstract

Det beskrives et apparat omfattende en betakonfigurert Sterlingmaskin (S) anordnet i et hus (2) som er innrettet til å være anbrakt i et varmt, omsluttende miljø (1), hvor et fortrengningsstempel (16) tildanner en forskyvbar barriere mellom et kompresjonskammer (T) og et ekspansjonskammer (7"), og en fluidkommunikasjon mellom kompresjonskammeret (T) og ekspansjonskammeret (7") omfatter suksessivt en varmeside varmeveksler (10), en regenerativ varmeveksler (9) og en kuldeside varmeveksler (8). Det beskrives også en framgangsmåte for regulering av temperaturen på et kjølingsobjekt (5) anordnet i et varmt miljø (2). Endelig beskrives det en anvendelse av en omvendt, adaptiv betakonfigurert Stirling syklus til regulering av temperaturen på et kjølingsobjekt (5) anbrakt i et varmt miljø (2) med en temperatur som overstiger kjølingsobjektets (5) foreskrevne driftstemperatur.An apparatus is disclosed comprising a beta-configured Sterling machine (S) arranged in a housing (2) arranged to be disposed in a warm, enclosing environment (1), where a displacement piston (16) forms a displaceable barrier between a compression chamber (T). ) and an expansion chamber (7 "), and a fluid communication between the compression chamber (T) and the expansion chamber (7") successively comprises a heat side heat exchanger (10), a regenerative heat exchanger (9) and a cold side heat exchanger (8). Also disclosed is a method of controlling the temperature of a cooling object (5) arranged in a hot environment (2). Finally, there is described an application of an inverted, adaptive beta-configured Stirling cycle to regulate the temperature of a cooling object (5) placed in a hot environment (2) at a temperature exceeding the prescribed operating temperature of the cooling object (5).

Description

APPARAT OG FRAMGANGSMÅTE FOR ADAPTIV REGULERING AV DRIFTSTEMPERATU-REN FOR ET KJØLINGSOBJEKT SAMT ANVENDELSE AV EN OMVENDT BETAKONFIGURERT STIRLINGSYKLUS TIL REGULERING AV TEMPERATUREN PÅ KJØLINGSOBJEKTET APPARATUS AND METHOD FOR ADAPTIVE REGULATION OF THE OPERATING TEMPERATURE OF A COOLING OBJECT AS WELL AS USING A REVERSE BETA CONFIGURED STEERING CYCLE FOR REGULATING THE TEMPERATURE OF THE COOLING OBJECT

Denne oppfinnelse omfatter et apparat og en framgangsmåte for adaptiv tilpasning av mellomstempelfasen i en omvendt betakonfigurert Sterlingsyklus, samt anvendelse av en omvendt, adaptiv betakonfigurert Stirlingsyklus for regulering av temperaturen på et kjølingsobjekt anbrakt i et varmt miljø med en temperatur som overstiger kjølings-objektets foreskrevne driftstemperatur. This invention includes an apparatus and a method for adaptively adapting the intermediate piston phase in an inverse beta configured Stirling cycle, as well as the use of an inverted adaptive beta configured Stirling cycle for regulating the temperature of a cooling object placed in a hot environment with a temperature that exceeds the cooling object's prescribed operating temperature .

Dagens teknologi på markedet for kjølesystemer som benyttes til å opprettholde lav driftstemperatur for anordninger plassert i et varmt miljø, for eksempel innenfor nedi-hulls- eller borehullslogging og boring, er sterkt avhengig av tre hovedprinsipper: enten isolasjon, ablativ kjøling eller aktiv kjøling, eller en kombinasjon av disse. Alle slike systemer kommer til kort ved den oppgave å holde en anordning, slik som elektronikk, permanent på en egnet driftstemperatur i et varmt miljø. I tilfellet med isolasjon er driftslevetiden for en slik anordning minimal da isolasjonen bare virker til å forsinke tilstrømningen av varme i anordningen fra miljøet i omgivelsene omkring. I så henseende vil apparatets innvendige temperatur øke til den når omgivelsestempe-raturen idet framgangsmåten med isolasjon ikke er i stand til å trekke ut termisk energi fra anordningen som trenger å holdes kjølig, men er bare i stand til å redusere inntrengningsraten for termisk energi i anordningen. Ablativ kjøling viser til en kortsiktig kryogenisk metode, hvorved en beholder (eller et Dewar-kar) inneholder forkjølte fluider, så som flytgass, som blir ført ut med kontrollert hastighet gjennom en ledning og derved absorberer varme idet den ekspanderer og ved hjelp av dette kjøler anordningen. En slik metode kan anses som kortsiktig da kjølevirkningens varighet avheng-er av beholderens volum, dvs. kjølevirkningen kan bare være i kraft så lenge det er nok fluid tilgjengelig. Current technology in the market for cooling systems used to maintain low operating temperatures for devices located in a hot environment, for example within downhole or borehole logging and drilling, relies heavily on three main principles: either insulation, ablative cooling or active cooling, or a combination of these. All such systems fall short in the task of keeping a device, such as electronics, permanently at a suitable operating temperature in a hot environment. In the case of insulation, the operating life of such a device is minimal as the insulation only acts to delay the influx of heat into the device from the surrounding environment. In this regard, the internal temperature of the device will increase until it reaches the ambient temperature, as the method of insulation is not able to extract thermal energy from the device that needs to be kept cool, but is only able to reduce the rate of penetration of thermal energy into the device . Ablative cooling refers to a short-term cryogenic method whereby a container (or Dewar vessel) contains pre-cooled fluids, such as liquid gas, which is discharged at a controlled rate through a conduit thereby absorbing heat as it expands and thereby cools the device. Such a method can be considered short-term as the duration of the cooling effect depends on the volume of the container, i.e. the cooling effect can only be in effect as long as there is enough fluid available.

Metoden med aktiv kjøling følger generelt to prinsipper: termoelektrisk og kjøletek-nisk. The method of active cooling generally follows two principles: thermoelectric and cooling technology.

Termoelektriske systemer gjør vanligvis bruk av Peltierelementer som er i stand til å Thermoelectric systems typically make use of Peltier elements that are capable of

flytte termisk energi fra den ene side av sin innkapsling til den motsatte side ved påfø-ring av elektrisk spenning, hvilket skaper ganske høye forskjeller i temperatur fra den ene side til den andre. Slike systemer finnes oftest i PC-er, for eksempel, for å bidra til kjøling av prosessorenheten (CPU). Problemet med Peltierelementer er at deres faktis-ke virkningsgrad, dvs. den forbrukte energimengde i forhold til den energimengde som er transportert mellom den varme og den kalde flate, kan falle til et meget lavt nivå, move thermal energy from one side of its enclosure to the opposite side by applying electrical voltage, which creates quite high differences in temperature from one side to the other. Such systems are most often found in PCs, for example, to help cool the processor unit (CPU). The problem with Peltier elements is that their actual efficiency, i.e. the amount of energy consumed in relation to the amount of energy that is transported between the hot and the cold surface, can fall to a very low level,

f.eks. en virkningsgrad på mindre enn 2 %, når det kreves store temperaturforskjeller over elementene. I varme miljøer, så som lete- og produksjonsborehuller innenfor olje og gass, kan miljøtemperaturene være over 200 °C. Elektronikk har vanligvis en driftstemperatur på maksimum 70-80 °C (for prosessorer), og selv bilelektronikk kan bare fungere ved under 150 °C. I slike tilfeller kan den nødvendige temperaturforskjell som et system må være i stand til å opprettholde for å sikre at en anordnings temperatur holder seg på under 70 °C, være så høy som 130 °C. Ved slike store temperaturforskjeller ville bruken av et Peltierelement for å transportere 100 watt termisk e.g. an efficiency of less than 2%, when large temperature differences across the elements are required. In hot environments, such as exploration and production boreholes within oil and gas, the environmental temperatures can be over 200 °C. Electronics usually have a maximum operating temperature of 70-80 °C (for processors), and even car electronics can only operate at below 150 °C. In such cases, the required temperature difference that a system must be able to maintain to ensure that a device's temperature remains below 70 °C can be as high as 130 °C. At such large temperature differences, the use of a Peltier element to transport 100 watts would be thermal

energi bort fra en anordning ved å avsette nevnte termiske energi i et varmt miljø på for eksempel 175 °C, ved 2 % virkningsgrad, forbruke 500 W i prosessen. I virkelighe-ten er slike elementer vanligvis dimensjonert for kraftforbruksnivåer som er mye lavere enn dette, slik at tapene i faktisk virkningsgrad resulterer i at systemet ikke er i stand til å holde den kalde ende tilstrekkelig kald. energy away from a device by depositing said thermal energy in a hot environment of, for example, 175 °C, at 2% efficiency, consuming 500 W in the process. In reality, such elements are usually sized for power consumption levels much lower than this, so that the losses in actual efficiency result in the system not being able to keep the cold end sufficiently cold.

I eksemplet med borehullssystemer for leteboring og olje- og gassproduksjon, hvor anordninger så som instrumenter, mekaniske og elektroniske elementer må holdes på en temperatur som er mye lavere enn det omgivende miljøs temperatur, ville et slikt kraftforbruk være upraktisk siden de fleste kraftoverføringssystemer (så som vaier-kabler) bare kan føre maksimum 1000 W, hvor det meste av kraften er forbeholdt de primære systemer og ikke støttesystemer så som instrumentkjøling. In the example of borehole systems for exploratory drilling and oil and gas production, where devices such as instruments, mechanical and electronic elements must be kept at a temperature much lower than the temperature of the surrounding environment, such power consumption would be impractical since most power transmission systems (such as cables) can only carry a maximum of 1000 W, where most of the power is reserved for the primary systems and not support systems such as instrument cooling.

Den kjøletekniske metode består vanligvis av én enkelt eller en rekke av innbyrdes forbundne kompressor- og kjøleelementsykluser som best beskrives med et vanlig husholdningskjøleskap. Slike systemer fungerer dog ikke godt når radiatoren i den varme ende allerede er varm, da slike systemer er avhengig av konveksjon for å fjerne overskuddsvarmen fra kjøleelementet. I tillegg krever den temperaturforskjell som er nødvendig for å opprettholde en driftstemperatur for elektronikk i et varmt miljø, slik det ble skildret ovenfor, flere trinn med kjøleapparater med hver sitt arbeidsfluid. I dette henseende kan vanlige systemer av freontypen ikke skilte med den driftstemperatur som er nødvendig for slike anvendelser. Et ytterligere problem er at kjølesys- terner krever kompressorer og en mangfoldighet av bevegelige deler, med derav føl-gende reduksjon i driftssikkerhet og robusthet. The refrigeration method usually consists of a single or a series of interconnected compressor and cooling element cycles which are best described with a common household refrigerator. However, such systems do not work well when the radiator at the hot end is already hot, as such systems depend on convection to remove excess heat from the cooling element. In addition, the temperature difference necessary to maintain an operating temperature for electronics in a hot environment, as described above, requires several stages of cooling devices each with a separate working fluid. In this respect, conventional Freon-type systems cannot boast the operating temperature necessary for such applications. A further problem is that refrigeration systems require compressors and a multitude of moving parts, with the consequent reduction in operational reliability and robustness.

I de senere år er det gjort forsøk på å bruke fristempel-Sterlingmotorer i varme miljø-er, så som lete- og produksjonsbrønner, men med begrenset hell. Systemene er avhengig av aktiv drift av kun kompresjonsstemplet. Fortrengningsstemplet er bare kop-let til et fjøringssystem for fortrengning og resonans. Slike systemer må vendes, slik at hele sammenstillingen veksler ved resonans, hvorved fortrengningsstemplet oscillerer i harmonisk bevegelse ute av fase med den harmoniske kompresjonsstempelbeve-gelse. Kompressorstemplet kan oscilleres ved bruk av et lineært manøverorgan eller kombinasjon av kopperspole og magnet, eller av mekanisk armforbindelse til en rote-rende skive, som illustrert i den opprinnelige Sterlingmotor. I dette henseende kan slike betasyklus-fristempel-Sterlingmotorer være meget effektive da bare ett stempel blir drevet, med en faktisk reduksjon i mekanisk eller elektrisk belastning som resultat. In recent years, attempts have been made to use free-piston Sterling engines in hot environments, such as exploration and production wells, but with limited success. The systems depend on active operation of only the compression piston. The displacement piston is only connected to a suspension system for displacement and resonance. Such systems must be reversed, so that the entire assembly alternates by resonance, whereby the displacement piston oscillates in harmonic motion out of phase with the harmonic compression piston motion. The compressor piston can be oscillated by the use of a linear actuator or combination of copper coil and magnet, or by mechanical arm connection to a rotating disc, as illustrated in the original Sterling engine. In this respect, such beta-cycle free-piston Sterling engines can be very efficient as only one piston is driven, with an actual reduction in mechanical or electrical load as a result.

Faseforholdet mellom kompressorstemplet og fortrengningsstemplet er imidlertid en funksjon av systemets resonansfrekvens som er en funksjon av stemplenes masser, kompresjonsforholdene, arbeidsfluidets trykk og arbeidsfluidets temperatur. Etter som arbeidsfluidets temperatur øker som et resultat av et varmt utvendig miljø, endrer også trykket i arbeidsfluidet seg; resultatet er en endring i systemets resonansfrekvens som endrer faseforholdet mellom stemplene. I praksis avtar Carnotsyklusens trapesform og forminskes etter som de to stemplers fasevinkel avtar fra de typiske 60 grader og ned til 0 grader. I dette henseende blir en fristempel-Sterlingmotor mindre og mindre effektiv etter hvert som arbeidsfluidet endrer temperatur og trykk; i tillegg kollapser syklusen og faseforholdet synker til en fasevinkel på null grader, hvilket betyr at det ikke er noen forspenning mellom systemets varme og kalde side. Fristempel-Sterlingmotoren krever at den varme side kjøles aktivt på en eller annen måte. However, the phase relationship between the compressor piston and the displacement piston is a function of the system's resonant frequency, which is a function of the pistons' masses, the compression ratio, the pressure of the working fluid and the temperature of the working fluid. As the temperature of the working fluid increases as a result of a hot external environment, the pressure in the working fluid also changes; the result is a change in the system's resonant frequency which changes the phase relationship between the pistons. In practice, the trapezoid shape of the Carnot cycle decreases and decreases as the phase angle of the two pistons decreases from the typical 60 degrees down to 0 degrees. In this respect, a free-piston Sterling engine becomes less and less efficient as the working fluid changes temperature and pressure; in addition, the cycle collapses and the phase relationship drops to a phase angle of zero degrees, meaning that there is no bias between the hot and cold sides of the system. The free-piston Sterling engine requires the hot side to be actively cooled in some way.

Ved en anvendelse av teknologien i et borehull som brukes til leting eller produksjon, er miljøet meget varmt (> 100 °C), og aktiv kjøling er ikke tilgjengelig da det ikke er noe kuldereservoar tilgjengelig i nærheten av motoren. Under slike omstendigheter vil en fristempel-Sterlingmotor ikke fungere og vil være ute av stand til å overføre termisk energi fra en anordning som trenger å bli holdt relativt kjølig, til et varmt miljø, som f.eks. brønnfluider. In an application of the technology in a borehole used for exploration or production, the environment is very hot (> 100 °C) and active cooling is not available as there is no cold reservoir available near the engine. Under such circumstances, a free-piston Sterling engine will not function and will be unable to transfer thermal energy from a device that needs to be kept relatively cool to a warm environment, such as well fluids.

Oppfinnelsen har til formål å avhjelpe eller å redusere i det minste én av ulempene ved kjent teknikk, eller i det minste å skaffe til veie et nyttig alternativ til kjent teknikk. The purpose of the invention is to remedy or to reduce at least one of the disadvantages of known technology, or at least to provide a useful alternative to known technology.

Formålet oppnås ved trekk som er angitt i nedenstående beskrivelse og i etterfølgende patentkrav. The purpose is achieved by features that are stated in the description below and in subsequent patent claims.

Det er tilveiebrakt et apparat som omfatter kjent og ny teknologi kombinert i en ny anvendelse med hensyn til adaptive styringsteknikker, termodynamikk, harmonisk fysikk og kjøleteknologier. An apparatus is provided which comprises known and new technology combined in a new application with respect to adaptive control techniques, thermodynamics, harmonic physics and cooling technologies.

Apparatets formål er å kjøle ett eller flere objekter som er plassert i et varmt miljø, så som elektronikk plassert inne i lete- eller produksjonssystemer i borehull, hvor objek-tene må holdes under en viss temperatur for å virke korrekt, men hvor omgivelses-temperaturen er mye høyere enn nevnte temperatur. The device's purpose is to cool one or more objects that are placed in a hot environment, such as electronics placed inside exploration or production systems in boreholes, where the objects must be kept below a certain temperature to work correctly, but where the ambient temperature is much higher than the mentioned temperature.

Beskrivelsen av apparatet i dette skrift framviser et system som adaptivt kan endre sin funksjon alt etter miljømessige forhold, for å gi den best mulige ytelse. The description of the device in this publication presents a system that can adaptively change its function according to environmental conditions, to give it the best possible performance.

Apparatet fungerer gjennom en syklus av trinn hvor termisk energi fjernes fra et ob-jekt som i en foretrukket utførelsesform er en elektronisk komponent med krav om lav driftstemperatur, så som for eksempel mindre enn 70 °C, og at nevnte termiske energi avsettes i et varmt, omsluttende miljø via en prosess med en adaptivt regulert, høyfrekvent, omvendt beta-Sterlingsyklus. The device works through a cycle of steps where thermal energy is removed from an object which in a preferred embodiment is an electronic component with low operating temperature requirements, such as for example less than 70 °C, and that said thermal energy is deposited in a hot , enveloping environment via a process of an adaptively regulated, high-frequency, reverse beta-Sterling cycle.

I et første aspekt vedrører oppfinnelsen mer spesifikt et apparat omfattende en betakonfigurert Sterlingmaskin anordnet i et hus som er innrettet til å være anbrakt i et varmt, omsluttende miljø, hvor et fortrengningsstempel tildanner en forskyvbar barriere mellom et kompresjonskammer og et ekspansjonskammer, og en fluidkommunikasjon mellom kompresjonskammeret og ekspansjonskammeret omfatter suksessivt en varmeside-varmeveksler, en regenerativ varmeveksler og en kuldeside-varmeveksler, kjennetegnet ved at In a first aspect, the invention relates more specifically to an apparatus comprising a beta-configured Sterling machine arranged in a housing adapted to be placed in a warm, enveloping environment, wherein a displacement piston forms a movable barrier between a compression chamber and an expansion chamber, and a fluid communication between the compression chamber and the expansion chamber successively comprise a hot-side heat exchanger, a regenerative heat exchanger and a cold-side heat exchanger, characterized in that

ekspansjonskammeret er i termisk kontakt med et kjølingsobjekt, og det the expansion chamber is in thermal contact with a cooling object, and it

til hver av et kompresjonsstempel og fortrengningsstempelet er tilordnet et aktuatorsystem omfattende to each of a compression piston and the displacement piston is assigned an actuator system comprising

et fjøringssystem innrettet til å kunne holde nevnte stempel stabilt i en utgangsstilling, a suspension system designed to be able to keep said piston stable in an initial position,

et elektromagnetsystem innrettet til å kunne forskyve nevnte stempel bort fra sin utgangsstilling; idet an electromagnet system arranged to be able to displace said piston away from its initial position; while

elektromagnetsystemene er tilknyttet en styringsenhet som omfatter midler for overvåking av temperatur på kjølingsobjektet samt er innrettet til å regulere amplitude og frekvens for hver av kompresjonsstempelet og fortrengningsstempelet. the electromagnet systems are connected to a control unit which includes means for monitoring the temperature of the cooling object and is designed to regulate the amplitude and frequency for each of the compression piston and the displacement piston.

Fjøringssystemet kan være tildannet av ei fjør som er oppspent mellom kompresjonsstempelet, henholdsvis fortrengningsstempelet, og huset. The suspension system can be formed by a spring that is tensioned between the compression piston, respectively the displacement piston, and the housing.

Fjøringssystemet kan være tildannet som et magnetfjørsystem. The suspension system can be designed as a magnetic suspension system.

Til hver av kompresjonsstempelet og fortrengningsstempelet kan det være tilknyttet minst en posisjonssensor. Posisjonssensoren kan være hentet fra gruppen bestående av et elektronisk akselerometer, en Halleffektsensor og en lineærvariabel differensialomformer. At least one position sensor can be connected to each of the compression piston and the displacement piston. The position sensor can be taken from the group consisting of an electronic accelerometer, a Hall effect sensor and a linear variable differential converter.

Styringsenheten kan være innrettet til å kunne påføre en tilknyttet kompresjonsstempelspole, henholdsvis en fortrengningsstempelspole, en kontinuerlig eller avbrutt likespenning med vekslende polaritet. The control unit can be designed to be able to apply a continuous or interrupted direct voltage with alternating polarity to an associated compression piston coil, respectively a displacement piston coil.

I et andre aspekt vedrører oppfinnelsen mer spesifikt en framgangsmåte for regulering av temperaturen på et kjølingsobjekt anordnet i et varmt miljø, kjennetegnet ved at framgangsmåten omfatter følgende trinn: å bringe kjølingsobjektet i termisk kontakt med et ekspansjonskammer i en betakonfigurert Sterlingmaskin; In a second aspect, the invention relates more specifically to a method for regulating the temperature of a cooling object arranged in a hot environment, characterized in that the method comprises the following steps: bringing the cooling object into thermal contact with an expansion chamber in a beta-configured Sterling machine;

å regulere amplitude og frekvens for hver av et kompresjonsstempel og et fortrengningsstempel basert på innhenting av temperaturinformasjon fra kjølingsobjektet samt trykk- og temperaturinformasjon fra et arbeidsfluid; idet regulating the amplitude and frequency of each of a compression piston and a displacement piston based on obtaining temperature information from the cooling object as well as pressure and temperature information from a working fluid; while

kompresjonsstempelet, henholdsvis fortrengningsstempelet, forskyves mellom en utgangsstilling og en endeposisjon ved at en styringsenhet påfører elektromagnetsystemer tilknyttet kompresjonsstempelet, henholdsvis fortrengningsstempelet, en likespenning med vekslende polaritet. the compression piston, respectively the displacement piston, is moved between an initial position and an end position by a control unit applying a direct voltage with alternating polarity to electromagnet systems associated with the compression piston, respectively the displacement piston.

Likespenningen kan være kontinuerlig eller avbrutt. The direct voltage can be continuous or interrupted.

Kompresjonsstempelet, henholdsvis fortrengningsstempelet, kan forskyves fra en endeposisjon tilbake til en utgangsstilling ved hjelp av et fjørsystem. The compression piston, respectively the displacement piston, can be moved from an end position back to an initial position by means of a spring system.

I et tredje aspekt vedrører oppfinnelsen mer spesifikt anvendelse av en omvendt, adaptiv betakonfigurert Stirlingsyklus til regulering av temperaturen på et kjølingsob-jekt anbrakt i et varmt miljø med en temperatur som overstiger kjølingsobjektets foreskrevne driftstemperatur. In a third aspect, the invention relates more specifically to the use of an inverted, adaptive beta-configured Stirling cycle for regulating the temperature of a cooling object placed in a hot environment with a temperature that exceeds the cooling object's prescribed operating temperature.

I det etterfølgende beskrives et eksempel på en foretrukket utførelsesform som er anskueliggjort på medfølgende tegninger, hvor: In what follows, an example of a preferred embodiment is described which is illustrated in the accompanying drawings, where:

Fig. 1 viser apparatet generelt illustrert i et varmt miljø med en anordning som skal kjøles, plassert varmeisolert i et hus; Fig. 2 viser et første syklustrinn i apparatet; Fig. 3 viser et andre syklustrinn i apparatet; Fig. 4 viser et tredje syklustrinn i apparatet; Fig. 1 shows the apparatus generally illustrated in a warm environment with a device to be cooled, placed thermally insulated in a house; Fig. 2 shows a first cycle step in the apparatus; Fig. 3 shows a second cycle step in the apparatus; Fig. 4 shows a third cycle step in the apparatus;

Fig. 5 viser et fjerde syklustrinn i apparatet; og Fig. 5 shows a fourth cycle step in the apparatus; and

Fig. 6 viser et femte syklustrinn i apparatet. Fig. 6 shows a fifth cycle step in the apparatus.

På figurene (se særlig fig. 1) angir henvisningstallet 1 et varmt miljø 1 som for eksempel kan være brønnfluidene inne i en lete- eller produksjonsbrønn for olje og gass, hvilke er i termisk kontakt med et hus 2 som rommer en betakonfigurert Sterlingmaskin S, og hvor det er anordnet et kjølingsobjekt 5 som er i termisk kontakt med et ekspansjonskammer 7" i Sterlingmaskinen S og ellers i det vesentlige omsluttet av en isolasjonskappe 6.1 en foretrukket utførelsesform er isolasjonskappen 6 utformet av fast skum (aerogel) eller et annet materiale med utmerkede varmeisolasjonsegenska-per. In the figures (see in particular fig. 1), the reference number 1 indicates a hot environment 1, which can for example be the well fluids inside an exploration or production well for oil and gas, which are in thermal contact with a housing 2 that houses a beta-configured Sterling machine S, and where there is arranged a cooling object 5 which is in thermal contact with an expansion chamber 7" in the Sterling machine S and is otherwise essentially surrounded by an insulation jacket 6.1 a preferred embodiment is the insulation jacket 6 made of solid foam (aerogel) or another material with excellent thermal insulation properties.

Et strømningsdynamikkammer 7 omsluttes delvis av isolasjonskappen 6 og ligger med et lukket bunnparti 7b nær inntil kjølingsobjektet 5 som skal holdes kjøligere enn mil-jøet 1. Kjølingsobjektet 5 kan være en elektronisk komponent som krever lav driftstemperatur. Kjølingsobjektets 5 temperatur overvåkes av en temperatursensor 22. A flow dynamics chamber 7 is partially enclosed by the insulation jacket 6 and lies with a closed bottom part 7b close to the cooling object 5 which is to be kept cooler than the environment 1. The cooling object 5 can be an electronic component that requires a low operating temperature. The temperature of the cooling object 5 is monitored by a temperature sensor 22.

Innvendig i strømningsdynamikkammeret 7 er det anordnet en kuldeside-varmeveksler 8 og en varmeside-varmeveksler 10 med en derimellom anbrakt regenerativ varmeveksler 9. Kuldeside-varmeveksleren 8 er termisk forbundet med strømningsdy-namikkammeret 7 som igjen er termisk tilknyttet kjølingsobjektet 5. Isolasjonskappen 6 omslutter kuldeside-varmeveksleren 8 og den regenerative varmeveksler 9. Inside the flow dynamics chamber 7, a cold side heat exchanger 8 and a hot side heat exchanger 10 are arranged with a regenerative heat exchanger 9 placed in between. The cold side heat exchanger 8 is thermally connected to the flow dynamics chamber 7 which in turn is thermally connected to the cooling object 5. The insulation jacket 6 encloses the cold side - the heat exchanger 8 and the regenerative heat exchanger 9.

Den regenerative varmeveksler 9 er i en foretrukket utførelsesform tildannet av et polyamidmateriale formet som en sylindrisk spiralkonstruksjon. Den kan imidlertid også lages av hvilket som helst termisk kapasitivt materiale og anordnes i en konsent-risk sylindrisk konstruksjon. In a preferred embodiment, the regenerative heat exchanger 9 is made of a polyamide material shaped as a cylindrical spiral construction. However, it can also be made of any thermally capacitive material and arranged in a concentric cylindrical construction.

Den regenerative varmeveksleren 9 virker som en termisk kondensator. I den foretrukne utførelsesform har den meget høy termisk kapasitet, meget lav termisk konduktivitet parallelt med fluidstrømningsretningen, meget høy termisk konduktivitet perpendikulært på fluidstrømningsretningen, minimalt volum og oppviser liten strøm-ningsmotstand på arbeidsfluidet. The regenerative heat exchanger 9 acts as a thermal condenser. In the preferred embodiment, it has very high thermal capacity, very low thermal conductivity parallel to the direction of fluid flow, very high thermal conductivity perpendicular to the direction of fluid flow, minimal volume and exhibits little flow resistance to the working fluid.

Varmevekslerne 8, 9,10 omkranser en senterboring som rommer et aksielt forskyvbart fortrengningsstempel 16 med ei fortrengningsstempelstang 16a som rager opp gjennom en åpning 7c i et endedeksel 7b motstående bunnpartiet 7a. Fortrengnings-stempelstanga 16a er nær et endeparti 16b motstående fortrengningsstempelet 16 tilkoplet et første fjøringssystem 20 som er forankret i huset 2. En første magnet 18a er anordnet på fortrengningsstempelstangas 16a endeparti 16b. En første posisjonssensor 19 er tilknyttet fortrengningsstempelet 16 for overvåking av fortrengnings-stempelets 16 stilling. The heat exchangers 8, 9, 10 encircle a central bore which accommodates an axially displaceable displacement piston 16 with a displacement piston rod 16a projecting up through an opening 7c in an end cover 7b opposite the bottom part 7a. The displacement piston rod 16a is close to an end part 16b opposite the displacement piston 16 connected to a first suspension system 20 which is anchored in the housing 2. A first magnet 18a is arranged on the displacement piston rod 16a end part 16b. A first position sensor 19 is connected to the displacement piston 16 for monitoring the position of the displacement piston 16.

Fortrengningsstempelet 16 tildanner en forskyvbar barriere i strømningsdynamikk-kammeret 7, idet nevnte kammer 7 tildanner et kompresjonskammer 7'og et ekspansjonskammer 7" som står i fluidkommunikasjon gjennom varmevekslerne 8, 9, 10. The displacement piston 16 forms a displaceable barrier in the flow dynamics chamber 7, said chamber 7 forming a compression chamber 7' and an expansion chamber 7" which are in fluid communication through the heat exchangers 8, 9, 10.

En fortrengningsstempelspole 18b er anordnet innvendig i huset 2 i en aksiell avstand fra den første magnetens 18a bevegelsesområde. Fortrengningsstempelspolen 18b og den første magneten 18a tildanner et første elektromagnetsystem 17. A displacement piston coil 18b is arranged inside the housing 2 at an axial distance from the movement area of the first magnet 18a. The displacement piston coil 18b and the first magnet 18a form a first electromagnet system 17.

Fortrengningsstempelet 16 kan ved hjelp av kraften påført av fortrengningsstempel-spolens 18b påvirkning på den første magneten 18a forskyves ut fra en utgangsstilling. Fortrengningsstempelet 16 trekkes mot utgangsstillingen av det første fjørings-systemet 20. The displacement piston 16 can be displaced from an initial position by means of the force exerted by the displacement piston coil 18b's influence on the first magnet 18a. The displacement piston 16 is pulled towards the starting position by the first suspension system 20.

Et rørformet kompresjonsstempel 11 omkranser et parti av fortrengningsstem-pelstanga 16a og strekker seg med et første endeparti lia inn i strømningsdynamikk-kammerets 7 endedekselåpning 7c. Kompresjonsstempelet 11 er aksielt forskyvbart relativt fortrengningsstempelet 16 og endedekselet 7b. I et andre endeparti lic er kompresjonsstempelet 11 tilkoplet et andre fjøringssystem 15 som er forankret i huset 2. En andre magnet 14a er anordnet på kompresjonsstempelets 11 midtparti lic. En andre posisjonssensor 12 er tilknyttet kompresjonsstempelet 11 for overvåking av kompresjonsstempelets 16 posisjon. A tubular compression piston 11 encircles a part of the displacement piston rod 16a and extends with a first end part 1a into the end cover opening 7c of the flow dynamics chamber 7. The compression piston 11 is axially displaceable relative to the displacement piston 16 and the end cover 7b. In a second end part lic, the compression piston 11 is connected to a second suspension system 15 which is anchored in the housing 2. A second magnet 14a is arranged on the compression piston 11's middle part lic. A second position sensor 12 is connected to the compression piston 11 for monitoring the position of the compression piston 16.

En kompresjonsstempelspole 14b er anordnet innvendig i huset 2 i en aksiell avstand fra den andre magnetens 14a bevegelsesområde. Kompresjonsstempelspolen 14b og den andre magneten 14a tildanner et andre elektromagnetsystem 13. A compression piston coil 14b is arranged inside the housing 2 at an axial distance from the movement area of the second magnet 14a. The compression piston coil 14b and the second magnet 14a form a second electromagnet system 13.

Kompresjonsstempelet 11 kan ved hjelp av kraften påført av kompresjonsstempelspo-lens 14b påvirkning på den andre magneten 14a forskyves ut fra en utgangsstilling. Kompresjonsstempelet 11 trekkes mot utgangsstillingen av det andre fjøringssystemet 15. The compression piston 11 can be displaced from an initial position by means of the force exerted by the compression piston coil 14b's influence on the second magnet 14a. The compression piston 11 is pulled towards the starting position by the second suspension system 15.

Husets 2 hulrom er fylt med et trykksatt arbeidsfluid 3, som i en foretrukket utførel-sesform er helium, selv om det ville kunne være hvilket som helst komprimerbart fluid. En andel 3a av arbeidsfluidet 3 rommes av strømningsdynamikkammeret 7. The cavity of the housing 2 is filled with a pressurized working fluid 3, which in a preferred embodiment is helium, although it could be any compressible fluid. A portion 3a of the working fluid 3 is accommodated by the flow dynamics chamber 7.

En trykk- og temperatursensor 4 innrettet til overvåking av arbeidsfluidets 3 trykk og temperatur er anordnet innvendig i huset 2. A pressure and temperature sensor 4 designed to monitor the pressure and temperature of the working fluid 3 is arranged inside the housing 2.

Begge spolene 14b, 18b samt sensorene 4,12,19, 22 er tilknyttet en styringsenhet 21 som er i stand til å påføre hver spole 14b, 18b uavhengig en spenning for å styre forskyvning, frekvens og faseforholdet i oscillasjonen til de to spolene 14b, 18b basert på signaler fra sensorene 4, 12, 19, 22. Fig. 2 viser et første syklustrinn hvor kompresjonsstempelspolen 14b er påført en likespenning slik at kompresjonsstempelmagneten 14a og kompresjonsstempelet 11 skyves helt inn i strømningsdynamikkammerets 7 endedekselåpning 7c, slik at den andelen 3a av arbeidsfluidet 3 som rommes avkompresjonskammeret 7', blir komprimert og derved blir oppvarmet ved at arbeid tilføres fluidet 3a. Fig. 3 viser et andre syklustrinn hvor fortrengningsstempelspolen 14b er påført en likespenning motsatt spenningen på kompresjonsstempelspolen 18b. Fortrengnings-tempelsmagneten 18a og fortrengningsstempelet 16 forskyves dermed mot endedekselet 7b slik at det oppvarmede arbeidsfluidet 3a blir tvunget gjennom varmeside-varmeveksleren 10, gjennom den regenerative varmeveksleren 9 og gjennom kuldeside-varmeveksleren 8 for å fylle det tomrommet som er gjort tilgjengelig av det for-skjøvne fortrengningsstempelet 16 i ekspansjonskammeret 7". Idet det varme arbeidsfluidet 3a først passerer gjennom varmeside-varmeveksleren 10, blir en større andel av varmeenergien overført fra arbeidsfluidet 3a til varmeside-varmeveksleren 10 enn til kuldeside-varmeveksleren 8 idet den regenerative varmeveksler 9 opptar noe av den termiske energien i arbeidsfluidet 3a. Da varmeside-varmeveksleren 10 er termisk knyttet til huset 2, blir varme overført fra arbeidsfluidet 3a til miljøet 1 via huset 2. Fig. 4 viser at i et tredje syklustrinn blir kompresjonsstempelspolen 14b påført en motsatt likespenning slik at kompresjonsstempelmagneten 14a og kompresjonsstemplet 11 trekkes tilbake slik at arbeidsfluidet 3a blir ekspandert inne i strømningsdyna-mikkammeret 7 og derved blir avkjølt ved at arbeid tas ut av fluidet (omvendt arbeid). Fig. 5 viser at i det fjerde syklustrinn blir fortrengningsstempelspolen 18b påført en motsatt likespenning slik at fortrengningsstempelmagneten 18a og fortrengningsstemplet 16 skyves helt inn i strømningsdynamikkammeret 7 slik at det avkjølte arbeidsfluidet 3a blir tvunget gjennom kuldeside-varmeveksleren 8, gjennom den regenerative varmeveksler 9 og gjennom varmeside-varmeveksleren 10 for å fylle det tomrommet som er gjort tilgjengelig av det forskjøvne fortrengningsstempelet 16. Termisk energi overføres fra kjølingsobjektet 5 gjennom strømningsdynamikkamme-rets 7 vegg og inn i varmeveksleren 8 i en større andel enn til varmeside-varmeveksleren 10 da den regenerative varmeveksler 9 frigir lagret termisk energi tilbake til det gjennomstrømmende arbeidsfluidet 3a. Innstrømning av varmeenergi fra det varme miljøet 1 i til kjølingsobjektet 5 forsinkes gjennom bruken av isolasjonskappen 6. Fig. 6 viser at i et femte syklustrinn blir kompresjonsstempelspolen 14b påført spenning slik at kompresjonsstempelmagneten 14a skyver kompresjonsstemplet 11 helt inn i strømningsdynamikkammeret 7 slik at arbeidsfluidet 3a blir komprimert inne i strømningsdynamikkammeret 7 og derved varmes opp ved at arbeid tilføres fluidet. Both coils 14b, 18b as well as the sensors 4, 12, 19, 22 are connected to a control unit 21 which is capable of applying a voltage to each coil 14b, 18b independently to control the displacement, frequency and phase relationship of the oscillation of the two coils 14b, 18b based on signals from the sensors 4, 12, 19, 22. Fig. 2 shows a first cycle step where the compression piston coil 14b is applied with a direct voltage so that the compression piston magnet 14a and the compression piston 11 are pushed completely into the end cover opening 7c of the flow dynamics chamber 7, so that the part 3a of the working fluid 3 contained in the decompression chamber 7' is compressed and thereby heated by adding work to the fluid 3a. Fig. 3 shows a second cycle step where the displacement piston coil 14b is applied with a DC voltage opposite to the voltage on the compression piston coil 18b. The displacement piston magnet 18a and the displacement piston 16 are thus displaced towards the end cover 7b so that the heated working fluid 3a is forced through the hot side heat exchanger 10, through the regenerative heat exchanger 9 and through the cold side heat exchanger 8 to fill the void made available by the push the displacement piston 16 in the expansion chamber 7". As the hot working fluid 3a first passes through the hot side heat exchanger 10, a greater proportion of the heat energy is transferred from the working fluid 3a to the hot side heat exchanger 10 than to the cold side heat exchanger 8, as the regenerative heat exchanger 9 occupies some of the thermal energy in the working fluid 3a. As the hot-side heat exchanger 10 is thermally connected to the housing 2, heat is transferred from the working fluid 3a to the environment 1 via the housing 2. Fig. 4 shows that in a third cycle step the compression piston coil 14b is applied with an opposite DC voltage so that the compression piston magnet 14a and compressions the temple 11 is withdrawn so that the working fluid 3a is expanded inside the flow dynamics chamber 7 and is thereby cooled by work being taken out of the fluid (reversed work). Fig. 5 shows that in the fourth cycle step, the displacement piston coil 18b is applied with an opposite direct voltage so that the displacement piston magnet 18a and the displacement piston 16 are pushed completely into the flow dynamics chamber 7 so that the cooled working fluid 3a is forced through the cold side heat exchanger 8, through the regenerative heat exchanger 9 and through the hot side heat exchanger 10 to fill the void made available by the displaced displacement piston 16. Thermal energy is transferred from the cooling object 5 through the flow dynamic chamber 7 wall and into the heat exchanger 8 in a greater proportion than to the hot side heat exchanger 10 as the regenerative heat exchanger 9 releases stored thermal energy back to the flowing working fluid 3a. Inflow of heat energy from the hot environment 1 i to the cooling object 5 is delayed through the use of the insulation jacket 6. Fig. 6 shows that in a fifth cycle step the compression piston coil 14b is energized so that the compression piston magnet 14a pushes the compression piston 11 completely into the flow dynamics chamber 7 so that the working fluid 3a becomes compressed inside the flow dynamics chamber 7 and is thereby heated by adding work to the fluid.

Syklustrinnene 1-5 ifølge figurene 2-6 repeteres deretter. Cycle steps 1-5 according to Figures 2-6 are then repeated.

I prosessen blir termisk energi trukket ut av kjølingsobjektet 5 og overført til miljøet 1.1 dette henseende overfører selve arbeidsfluidet 3a ikke den termiske energien, men forskjellen i termisk energi som opprettholdes mellom varmeside-varmeveksleren 10 og kuldeside-varmeveksleren 8, skaper og opprettholder en strøm av termisk energi mellom de to varmevekslere 10, 8 langs strømningsdynamikkammerets 7 man-tel. In the process, thermal energy is extracted from the cooling object 5 and transferred to the environment 1.1 in this respect, the working fluid 3a itself does not transfer the thermal energy, but the difference in thermal energy maintained between the hot side heat exchanger 10 and the cold side heat exchanger 8 creates and maintains a flow of thermal energy between the two heat exchangers 10, 8 along the mantle of the flow dynamics chamber 7.

I prosessen blir termisk energi trukket ut av kjølingsobjektet 5 og tvunget ut i miljøet 1. Stemplene 11, 16 oscillerer med en faseforskjell på, i en foretrukket utførelsesform, 90 grader (eller n/2 radianer) ved en frekvens på over 20 Hz. I den foretrukne utførel-sesformen er en hel syklus fullført innen 15 millisekunder. Jo høyere oscillasjonsfre-kvensen er, desto høyere overføring av termisk energi oppnås mellom kuldeside-varmeveksleren 8 og varmeside-varmeveksleren 10. Det samme kan påvises for en økning i stempelforskyvning da en større forskyvning av kompresjonsstemplet 11 desto større kompresjonseffekt og følgelig størrelsen på oppvarmingen av arbeidsfluidet 3a. In the process, thermal energy is extracted from the cooling object 5 and forced out into the environment 1. The pistons 11, 16 oscillate with a phase difference of, in a preferred embodiment, 90 degrees (or n/2 radians) at a frequency of over 20 Hz. In the preferred embodiment, a full cycle is completed within 15 milliseconds. The higher the oscillation frequency, the higher the transfer of thermal energy is achieved between the cold side heat exchanger 8 and the hot side heat exchanger 10. The same can be demonstrated for an increase in piston displacement as a greater displacement of the compression piston 11 the greater the compression effect and consequently the amount of heating of the working fluid 3a.

Stemplenes 11, 16 absolutte posisjoner blir overvåket av sensorer 12, 19. I den foretrukne utførelsesform er disse sensorene elektroniske akselerometre som frambringer den største utgangsspenning ved maksimumsakselerasjoner, dvs. når stemplene 11, 16 har nådd maksimumsforskyvningsposisjonen i sin oscillasjon. Imidlertid kan det brukes hvilken som helst form for sensor som er i stand til direkte eller indirekte å bestemme stemplenes posisjon, så som for eksempel en Halleffektsensor med en magnet eller en lineærvariabel differensialomformer. The absolute positions of the pistons 11, 16 are monitored by sensors 12, 19. In the preferred embodiment, these sensors are electronic accelerometers which produce the largest output voltage at maximum accelerations, i.e. when the pistons 11, 16 have reached the maximum displacement position in their oscillation. However, any type of sensor capable of directly or indirectly determining the position of the pistons can be used, such as a Hall effect sensor with a magnet or a linear variable differential converter.

Styringsenheten 21 avgir oscillerende bølgeformer som i den foretrukne utførelses-form er sinusformede, men kan ha hvilken som helst repeterbar bølgeform, innbefat-tende avsnitt med tidsrom uten bølgeavgivelse. Faseforholdet, dvs. nullpunktsforskyv-ningen i hver bølgeform, kan reguleres av den elektroniske styringsenhet 21. Sensoriske data fra posisjonssensorene 12, 19, fluidtrykk- og temperatursensoren 4 og temperatursensoren 22 i kjølingsobjektet 5 blir matet inn i den elektroniske styringsenhet 21. En dataalgoritme innlagt i den elektroniske styringsenhet 21 behandler informasjonen fra disse ulike sensorer for å bestemme den best mulige amplitude for og det best mulige faseforhold mellom stemplene 11, 16 for å opprettholde en kons-tant, lav driftstemperatur i kjølingsobjektet 5. På denne måte er systemet adaptivt og i stand til uavhengig å regulere hvert stempels amplitude, i tillegg til faseforholdet mellom hver oscillasjonssyklus for stemplene 11, 16. The control unit 21 emits oscillating waveforms which, in the preferred embodiment, are sinusoidal, but can have any repeatable waveform, including periods of time without wave emission. The phase relationship, i.e. the zero point shift in each waveform, can be regulated by the electronic control unit 21. Sensory data from the position sensors 12, 19, the fluid pressure and temperature sensor 4 and the temperature sensor 22 in the cooling object 5 is fed into the electronic control unit 21. A computer algorithm incorporated in the electronic control unit 21 processes the information from these various sensors to determine the best possible amplitude for and the best possible phase relationship between the pistons 11, 16 in order to maintain a constant, low operating temperature in the cooling object 5. In this way, the system is adaptive and capable of independently regulating the amplitude of each piston, as well as the phase relationship between each oscillation cycle of the pistons 11, 16.

Når en spole 14b, 18b er påført spenning, dannes et magnetisk felt ved at elektroner beveger seg gjennom spolen. Dette øver en kraft på magneten 14a, 18a som forårsaker forskyvning av det respektive stemplet 11,16. Når stemplet 11,16 forskyver seg, tilfører det arbeid til det respektive fjøringssystemet 15, 20 som i den foretrukne ut-førelsesform er ei mekanisk fjør, selv om det kunne være tilleggsmagneter plassert i motsatte retninger som derved ville danne ei magnetisk fjør. Idet stemplet 11, 16 når sin endeposisjon, er det respektive fjøringssystemet 15, 20 ladet med potensiell energi. På dette stadium gjør styringsenheten 21 spolen 14b, 18b spenningsløs, og fjør-ingssystemet 15, 20 frigjør sitt arbeid og sin potensielle energi ved å returnere stemplet 11, 16 tilbake til utgangsstilling. Deretter påføres spolen 14b, 18b motsatt spenning. Dette øver en kraft på magneten 14a, 18a som forårsaker at det respektive stempelet 11, 16 forskyver seg i motsatt retning. Idet stemplet 11, 16 når sin motsatte endeposisjon, er fjøringssystemet 15, 20 blitt ladet med ny potensiell energi. På dette stadium gjør styringsenheten 21 spolen 14b, 18b spenningsløs, og det respektive fjøringssystemet 15, 20 frigjør sitt arbeid og sin potensielle energi ved å returnere stemplet 11, 16 tilbake til utgangsstilling, hvilket beskriver én oscillasjon for et stempel. Ved å påføre spolene 14b, 18b elektrisk spenning bare når stemplene skal beve-ges fra en utgangstilling til en endeposisjon, oppnås en energibesparelse idet spolene 14b, 18b ikke forbruker elektrisk energi når de er gjort spenningsløse, hvilket bidrar til omtrent 50 % av hele syklusen. Som et resultat er virkningsgraden til hele systemet doblet idet det elektriske energiforbruket er halvert. Siden arbeidsfluidets 3a temperatur øker og trykket inne i det lukkede huset 2 øker som et resultat derav, er styringsenheten 21 i stand til å regulere den innbyrdes reguleringen av de to stemplene 11, 16 for å sikre det best mulige faseforhold for å maksimere parametrene for Carnot-syklusen. When a coil 14b, 18b is energized, a magnetic field is created by electrons moving through the coil. This exerts a force on the magnet 14a, 18a which causes displacement of the respective piston 11, 16. When the piston 11, 16 moves, it adds work to the respective suspension system 15, 20 which in the preferred embodiment is a mechanical spring, although there could be additional magnets placed in opposite directions which would thereby form a magnetic spring. As the piston 11, 16 reaches its end position, the respective suspension system 15, 20 is charged with potential energy. At this stage, the control unit 21 de-energizes the coil 14b, 18b, and the drive system 15, 20 releases its work and potential energy by returning the piston 11, 16 back to its initial position. Then the opposite voltage is applied to the coil 14b, 18b. This exerts a force on the magnet 14a, 18a which causes the respective piston 11, 16 to move in the opposite direction. As the piston 11, 16 reaches its opposite end position, the suspension system 15, 20 has been charged with new potential energy. At this stage, the control unit 21 de-energizes the coil 14b, 18b and the respective suspension system 15, 20 releases its work and potential energy by returning the piston 11, 16 back to the initial position, which describes one oscillation for a piston. By applying electrical voltage to the coils 14b, 18b only when the pistons are to be moved from an initial position to an end position, an energy saving is achieved as the coils 14b, 18b do not consume electrical energy when de-energized, which contributes to approximately 50% of the entire cycle . As a result, the efficiency of the entire system is doubled while the electrical energy consumption is halved. Since the temperature of the working fluid 3a increases and the pressure inside the closed housing 2 increases as a result, the control unit 21 is able to regulate the mutual regulation of the two pistons 11, 16 to ensure the best possible phase relationship to maximize the Carnot parameters - the cycle.

Teknologi på markedet i dag, i form av tradisjonelle motorer eller fristempel-Sterlingmotorer, er ikke i stand til å opprettholde høye temperaturforskjeller mellom den varme og den kalde side av systemet når miljøtemperaturen (eller varmeside-temperaturen) er vesentlig over normal romtemperatur. En vanlig løsning er å plasse-re en stor, luftkjølt varmeveksler eller ribber på systemets varme side og enten være avhengig av luftblåsere (vifter) eller konveksjon fra det store overflateareal på ribbene for å fjerne den termiske overskuddsenergi fra systemet. En annen løsning er å føre kaldt fluid (dvs. vann) over eller rundt den varme ende av systemet for å fjerne overskuddsenergi. I begge disse systemer har motoren, dersom miljøtemperaturen på den varme side blir for høy, ikke kapasitet til å "pumpe" overskuddsenergi ut i det varme miljø, og resultatet er at den kalde ende blir varmere og sakte nærmer seg temperaturen til den varme side, og derved reduseres temperaturforskjellen (eller delta) i systemet etter som den varme side blir varmere. Technology on the market today, in the form of traditional engines or free-piston Sterling engines, is unable to maintain high temperature differences between the hot and cold sides of the system when the ambient temperature (or hot side temperature) is significantly above normal room temperature. A common solution is to place a large, air-cooled heat exchanger or fins on the system's hot side and either rely on air blowers (fans) or convection from the large surface area of the fins to remove the excess thermal energy from the system. Another solution is to pass cold fluid (ie water) over or around the hot end of the system to remove excess energy. In both of these systems, if the environmental temperature on the hot side becomes too high, the engine does not have the capacity to "pump" excess energy out into the hot environment, and the result is that the cold end becomes hotter and slowly approaches the temperature of the hot side, and thereby the temperature difference (or delta) in the system is reduced as the hot side gets hotter.

Når det gjelder fristempel-Sterlingmotorer, er faseforholdet mellom kompresjonsstemplet 11 og fortrengningsstemplet 16 en funksjon av systemets resonansfrekvens som er en funksjon av stemplenes 11, 16 masser, kompresjonsforholdene, trykket til arbeidsfluidet 3a og temperaturen til arbeidsfluidet 3a. Etter som arbeidsfluidets 3a temperatur øker som et resultat av et varmt utvendig miljø 1, endrer trykket i arbeidsfluidet 3a seg også. Resultatet blir en endring i systemets resonansfrekvens, hvilket endrer faseforholdet mellom stemplene 11, 16.1 praksis avtar og forminskes Carnotsyklusens trapesform etter som de to stemplers 11,16 fasevinkel avtar fra de typiske 60 grader og ned til 0 grader. I dette henseende blir en fristempel-Sterlingmotor mindre og mindre effektiv etter hvert som arbeidsfluidet endrer temperatur og trykk; i tillegg kollapser syklusen og faseforholdet synker til en fasevinkel på null grader, hvilket betyr at det ikke er noen forskjell mellom systemets varme og kalde side. Fristempel-Sterlingmotoren krever at den varme side kjøles aktivt på en eller annen måte. In the case of free-piston Sterling engines, the phase relationship between the compression piston 11 and the displacement piston 16 is a function of the system's resonant frequency which is a function of the masses of the pistons 11, 16, the compression ratios, the pressure of the working fluid 3a and the temperature of the working fluid 3a. As the temperature of the working fluid 3a increases as a result of a hot external environment 1, the pressure in the working fluid 3a also changes. The result is a change in the system's resonant frequency, which changes the phase relationship between the pistons 11, 16.1 practice decreases and the Carnot cycle's trapezoid shape decreases as the phase angle of the two pistons 11, 16 decreases from the typical 60 degrees down to 0 degrees. In this respect, a free-piston Sterling engine becomes less and less efficient as the working fluid changes temperature and pressure; in addition, the cycle collapses and the phase relationship drops to a phase angle of zero degrees, meaning that there is no difference between the hot and cold sides of the system. The free-piston Sterling engine requires the hot side to be actively cooled in some way.

Ved en anvendelse av teknologien i et borehull som brukes til leting eller produksjon, er miljøet 1 meget varmt (> 100 °C), og aktiv kjøling er ikke tilgjengelig da det ikke finnes noe kuldereservoar tilgjengelig i nærheten av motoren. Under denne omsten-dighet vil en fristempel-Sterlingmotor ikke fungere og vil være ute av stand til å over-føre termisk energi fra et kjølingsobjekt 5 som trenger å bli holdt relativt kjølig, til et varmt miljø 1, som f.eks. brønnfluider. In an application of the technology in a borehole used for exploration or production, the environment 1 is very hot (> 100 °C) and active cooling is not available as there is no cold reservoir available near the engine. In this circumstance, a free-piston Sterling engine will not work and will be unable to transfer thermal energy from a cooling object 5 that needs to be kept relatively cool, to a warm environment 1, such as e.g. well fluids.

Apparatet beskrevet i dette skrift framviser fullstendig kontroll over kompresjons-stemplets 11 og fortrengningsstemplets 16 posisjon, amplitude, frekvens og faseforhold, idet det er egnet til å styres adaptivt av elektronikk og dataprogramvare som kan overvåke temperaturen til den anordning som skal kjøles, og justere amplituden og frekvensen til systemet deretter og derved avpasse kraftforbruket etter kjølebeho-vet. I tillegg kan det overvåke trykket og temperaturen til arbeidsfluidet 3, 3a og regulere bølgeformene i oscillasjonene og fasevinklene for å gi den beste termodyna-miske virkningsgrad basert på forholdene i øyeblikket. En tradisjonell Sterlingmotor med sin faste fasevinkel og amplitude og en fristempel-Sterlingmotor med sin kontroll over bare ett stempel er ikke i stand til å gjøre noen av delene. Som et resultat viser beskrivelsen av apparatet i dette skrift at systemet som adaptivt kan endre sin funksjon i henhold til miljøbetingelser frambyr den best mulige ytelse. The apparatus described in this document exhibits complete control over the position, amplitude, frequency and phase relationship of the compression piston 11 and the displacement piston 16, being suitable to be adaptively controlled by electronics and computer software which can monitor the temperature of the device to be cooled, and adjust the amplitude and the frequency of the system accordingly and thereby adjust the power consumption according to the cooling need. In addition, it can monitor the pressure and temperature of the working fluid 3, 3a and regulate the waveforms in the oscillations and the phase angles to provide the best thermodynamic efficiency based on the conditions at the moment. A traditional Sterling motor with its fixed phase angle and amplitude and a free-piston Sterling motor with its control over only one piston are unable to do either. As a result, the description of the apparatus in this document shows that the system which can adaptively change its function according to environmental conditions offers the best possible performance.

Claims

1. Apparatus comprising a beta-configured Sterling machine (S) arranged in a housing (2) adapted to be placed in a warm, enveloping environment (1), where a displacement piston (16) forms a movable barrier between a compression chamber (7' ) and an expansion chamber (7"), and a fluid communication between the compression chamber (7') and the expansion chamber (7") successively comprises a hot-side heat exchanger (10), a regenerative heat exchanger (9) and a cold-side heat exchanger (8), characterized by that the expansion chamber (7") is in thermal contact with a cooling object (5), and it to each of a compression piston (11) and the displacement piston (16) is assigned an actuator system comprising a suspension system (15, 20) designed to be able to hold said piston (11, 16) stably in an initial position, an electromagnet system (13, 17) arranged to be able to displace said piston (11, 16) away from its initial position; while the electromagnet systems (13, 17) are connected to a control unit (21) which includes means (22) for monitoring the temperature of the cooling object (5) and is designed to regulate the amplitude and frequency for each of the compression piston (11) and the displacement piston (16).

2. Device according to claim 1, characterized in that the suspension system (15, 20) is formed by a spring which is tensioned between the compression piston (11), respectively the displacement piston (16), and the housing (2).

3. Device according to claim 1, characterized in that the suspension system (15, 20) is designed as a magnetic suspension system.

4. Device according to claim 1, characterized in that at least one position sensor (12,19) is connected to each of the compression piston (11) and the displacement piston (16).

5. Device according to claim 4, characterized in that the position sensor (12, 19) is taken from the group consisting of an electronic accelerometer, a Hall effect sensor and a linear variable differential converter.

6. Device according to claim 1, characterized in that the control unit (21) is designed to be able to apply a continuous or interrupted direct voltage with alternating polarity to an associated compression piston coil (14b), respectively a displacement piston coil (18b).

7. Method for regulating the temperature of a cooling object (5) arranged in a warm environment (2), characterized in that the method comprises the following steps: bringing the cooling object (5) into thermal contact with an expansion chamber (7") in a beta configured Sterling machine ( S); regulating the amplitude and frequency of each of a compression piston (11) and a displacement piston (16) based on obtaining temperature information from the cooling object (5) as well as pressure and temperature information from a working fluid (3); while the compression piston (11), respectively the displacement piston (16), is moved from an initial position to an end position by a control unit (21) applying a direct voltage with alternating polarity to electromagnet systems (13, 17) associated with the compression piston (11), respectively the displacement piston (16).

8. Method according to claim 7, characterized in that the direct voltage is continuous or interrupted.

9. Method according to claim 7, characterized in that the compression piston (11), respectively the displacement piston (16), is moved from an end position back to an initial position by means of a suspension system (15, 20).

10. Application of an inverse, adaptive beta-configured Stirling cycle to control the temperature of a cooling object (5) placed in a warm environment (2) with a temperature exceeding the cooling object's (5) prescribed operating temperature.