NO20110194A1 - Apparat og framgangsmate for adaptiv regulering av driftstemperaturen for et kjolingsobjekt samt anvendelse av en omvendt betakonfigurert Stirlingsyklus til regulering av temperaturen pa kjolingsobjektet - Google Patents

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.

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

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.

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.

Metoden med aktiv kjøling følger generelt to prinsipper: termoelektrisk og kjøletek-nisk.

Termoelektriske systemer gjør vanligvis bruk av Peltierelementer som er i stand til å

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,

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Formålet oppnås ved trekk som er angitt i nedenstående beskrivelse og i etterfølgende patentkrav.

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.

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.

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.

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.

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

ekspansjonskammeret er i termisk kontakt med et kjølingsobjekt, og det

til hver av et kompresjonsstempel og fortrengningsstempelet er tilordnet et aktuatorsystem omfattende

et fjøringssystem innrettet til å kunne holde nevnte stempel stabilt i en utgangsstilling,

et elektromagnetsystem innrettet til å kunne forskyve nevnte stempel bort fra sin utgangsstilling; idet

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.

Fjøringssystemet kan være tildannet av ei fjør som er oppspent mellom kompresjonsstempelet, henholdsvis fortrengningsstempelet, og huset.

Fjøringssystemet kan være tildannet som et magnetfjørsystem.

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.

Styringsenheten kan være innrettet til å kunne påføre en tilknyttet kompresjonsstempelspole, henholdsvis en fortrengningsstempelspole, en kontinuerlig eller avbrutt likespenning med vekslende polaritet.

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;

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

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.

Likespenningen kan være kontinuerlig eller avbrutt.

Kompresjonsstempelet, henholdsvis fortrengningsstempelet, kan forskyves fra en endeposisjon tilbake til en utgangsstilling ved hjelp av et fjørsystem.

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.

I det etterfølgende beskrives et eksempel på en foretrukket utførelsesform som er anskueliggjort på medfølgende tegninger, hvor:

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. 5 viser et fjerde syklustrinn i apparatet; og

Fig. 6 viser et femte syklustrinn i apparatet.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

En trykk- og temperatursensor 4 innrettet til overvåking av arbeidsfluidets 3 trykk og temperatur er anordnet innvendig i huset 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.

Syklustrinnene 1-5 ifølge figurene 2-6 repeteres deretter.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Claims (10)

1. 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 (7') og et ekspansjonskammer (7"), og en fluidkommunikasjon mellom kompresjonskammeret (7') og ekspansjonskammeret (7") omfatter suksessivt en varmeside-varmeveksler (10), en regenerativ varmeveksler (9) og en kuldeside-varmeveksler (8),karakterisertved at ekspansjonskammeret (7") er i termisk kontakt med et kjølingsobjekt (5), og det til hver av et kompresjonsstempel (11) og fortrengningsstempelet (16) er tilordnet et aktuatorsystem omfattende et fjøringssystem (15, 20) innrettet til å kunne holde nevnte stempel (11, 16) stabilt i en utgangsstilling, et elektromagnetsystem (13, 17) innrettet til å kunne forskyve nevnte stempel (11, 16) bort fra sin utgangsstilling; idet elektromagnetsystemene (13, 17) er tilknyttet en styringsenhet (21) som omfatter midler (22) for overvåking av temperatur på kjølingsobjektet (5) samt er innrettet til å regulere amplitude og frekvens for hver av kompresjonsstempelet (11) og fortrengningsstempelet (16).

2. Anordning i henhold til krav 1,karakterisert vedat fjø-ringssystemet (15, 20) er tildannet av ei fjør som er oppspent mellom kompresjonsstempelet (11), henholdsvis fortrengningsstempelet (16), og huset (2).

3. Anordning i henhold til krav 1,karakterisert vedat fjø-ringssystemet (15, 20) er tildannet som et magnetfjørsystem.

4. Anordning i henhold til krav 1,karakterisert vedat det til hver av kompresjonsstempelet (11) og fortrengningsstempelet (16) er tilknyttet minst en posisjonssensor (12,19).

5. Anordning i henhold til krav 4,karakterisert vedatpo-sisjonssensoren (12, 19) er hentet fra gruppen bestående av et elektronisk akselerometer, en Halleffektsensor og en lineærvariabel differensialomformer.

6. Anordning i henhold til krav 1,karakterisert vedat styringsenheten (21) er innrettet til å kunne påføre en tilknyttet kompresjonsstempelspole (14b), henholdsvis en fortrengningsstempelspole (18b) en kontinuerlig eller avbrutt likespenning med vekslende polaritet.

7. Framgangsmåte for regulering av temperaturen på et kjølingsobjekt (5) anordnet i et varmt miljø (2),karakterisert vedat framgangsmåten omfatter følgende trinn: å bringe kjølingsobjektet (5) i termisk kontakt med et ekspansjonskammer (7") i en betakonfigurert Sterlingmaskin (S); å regulere amplitude og frekvens for hver av et kompresjonsstempel (11) og et fortrengningsstempel (16) basert på innhenting av temperaturinformasjon fra kjølingsobjektet (5) samt trykk- og temperaturinformasjon fra et arbeidsfluid (3); idet kompresjonsstempelet (11), henholdsvis fortrengningsstempelet (16), forskyves fra en utgangsstilling til en endeposisjon ved at en styringsenhet (21) påfører elektromagnetsystemer (13, 17) tilknyttet kompresjonsstempelet (11), henholdsvis fortrengningsstempelet (16), en likespenning med vekslende polaritet.

8. Framgangsmåte i henhold til krav 7,karakterisert vedat likespenningen er kontinuerlig eller avbrutt.

9. Framgangsmåte i henhold til krav 7,karakterisert vedat kompresjonsstempelet (11), henholdsvis fortrengningsstempelet (16), forskyves fra en endeposisjon tilbake til en utgangsstilling ved hjelp av et fjø-ringssystem (15, 20).

10. Anvendelse av en omvendt, adaptiv betakonfigurert Stirlingsyklus til regulering av temperaturen på et kjølingsobjekt (5) anbrakt i et varmt miljø (2) med en temperatur som overstiger kjølingsobjektets (5) foreskrevne driftstemperatur.