CN100339565C - 具有加热结构的涡卷式膨胀机和使用该膨胀机的涡卷式热交换系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种涡卷式膨胀机，其同时进行膨胀和再加热，从而实现了有效的膨胀并且没有由压力损失引起的效率降低，其中该压力损失在将工作流体供给涡卷式膨胀机期间发生，而且其使固定涡卷构件和绕转涡卷构件以及涡卷壳的温度分布之间的温差最小。本发明还涉及一种使用涡卷式膨胀机的热交换系统，其用一对涡卷式压缩机和膨胀机来代替传统往复史特灵发动机或致冷器中的活塞，从而该热交换系统可以用作史特灵发动机或致冷器。本发明还提供一种蒸汽机，其中传统蒸汽机(兰金循环)中的蒸汽涡轮机由涡卷式膨胀机代替，从而蒸汽循环具有再加热循环和再生循环。

Description

具有加热结构的涡卷式膨胀机和使用该膨胀机的涡卷式热交换系统
技术领域
本发明涉及一种涡卷式(scroll-type)膨胀机和一种涡卷式压缩机，更具体地说，涉及这样一种涡卷式膨胀机和涡卷式压缩机，其包括用以连续进行工作流体的膨胀和压缩的一固定涡卷构件和一绕转涡卷构件。本发明还涉及一种用作史特林(Stirling)发动机或致冷器的涡卷式热交换系统，该系统包括一涡卷式膨胀机和一涡卷式压缩机。
背景技术
涡卷式装置具有许多优点，包括效率高、噪音低、振动性低、尺寸小和重量轻。由于这些优点，涡卷式装置被广泛应用，如涡卷式压缩机。
更详细地说，如图1所示，绕转涡卷构件40和渐开线形式的固定涡卷构件30以180°的相位差设置。从而，在该涡卷式压缩机中形成一系列月牙形的穴。气体经过位于固定涡卷构件30周边的进气通道流入涡卷式压缩机，而且月牙形的穴通过绕转涡卷构件40的绕转作用向两个涡卷30和40的中央移动。所述穴的容积经这种作用而减小，从而气体被压缩。然后，气体通过形成在固定涡卷构件30中央的排气口排出。在各绕转运动期间，数个月牙形的穴被同时压缩，因此操作是连续的。
在涡卷式膨胀机中，涡卷式压缩机只是反向操作，而使气体膨胀。即，高压气体被供给固定涡卷构件30的中央，从而移动绕转涡卷构件40，以实现气体膨胀，所述气体然后通过固定涡卷构件30的周边开口排出。动能通过绕转涡卷构件40的绕转运动产生。
与其它类型的压缩机相比，涡卷式压缩机需要较少的元件，小且重量轻，而且具有高效、低振动和低噪音的其它优点。因此，涡卷式压缩机广泛用作致冷压缩机和空气压缩机。另一方面，涡卷式膨胀机没有得到广泛应用。
作为一种传统的膨胀机，美国专利US4,192,152公开了一种可以用作压缩机和膨胀机的带有外部驱动的涡卷式装置，和一种组合压缩机、燃烧器和膨胀机的热力发动机，而且还公开了一种组合压缩机和膨胀机的布雷(Brayton)顿循环型冷却循环。另外，欧洲专利EP 0846843A1公开了一种组合压缩机、致冷器、燃烧器和膨胀机的热力发动机。另外，最近在美国公开了一种使用涡卷式膨胀机代替蒸汽机的蒸汽循环(兰金(Rankine)系统)。
但是，至今所公开的涉及涡卷式膨胀机的专利和研究中，高压气体或蒸汽被供给涡卷式膨胀机的中央区域，以与传统涡轮机中一样产生动能。因此，由供给气体或蒸汽时的压力损失引起效率降低，这样当压缩效率高达90％时，膨胀效率仅为约60％～70％。另外，在传统的涡卷式膨胀机中，固定涡卷构件和绕转涡卷构件之间的温度差变大，且在同一涡卷壳自身内出现温度梯度。这些因素导致由产生的摩擦、泄漏和增加的振动引起的效率降低。
史特灵发动机为一种外燃机，其包括多个加热和冷却封闭的原料气的热交换器。多数史特灵发动机为往复活塞型的外燃机。
因为史特灵发动机为外燃机，所以它可以使用不同的热源，如液体燃料、气体燃料、固体燃料、工业废能、太阳能和液化天然气(LNG)。由于在加热器和冷却器之间安装有回热器(regeneration)，史特灵发动机提供高的效率。另外，由于史特灵发动机不包括阀并实现平滑的压力变化，所以相校内燃机，产生的噪音和振动程度低。另外，由于在史特灵发动机中发生连续的燃烧，所以燃烧控制容易，且排出气体比较干净，从而可以将史特灵发动机可作为未来广泛应用的候选物。
参照图8，示出一种传统史特灵发动机200的基本结构，膨胀活塞201和压缩活塞203以约90°的相位差连接到一公共曲轴上。膨胀空间205和压缩空间207被形成并连接到回热器209，该回热器209充满具有气体渗透性的热能存储物质。对于这种结构，由于难以通过小传热面积的气缸壁实现工作气体的充分加热和冷却，所以在回热器209的相对侧设置一冷却器212和一加热器214，如图9所示。
为了简化机械构造并减少往复史特灵发动机的振动，美国专利US6,109,040公开了一种结构，其使用两个旋转的汪克尔(Wankel)转子并提供和往复史特灵发动机中相同的相位差，从而压缩和膨胀得以交替实现。
由于两个活塞在气缸中同步但异相地往复运动，所以当容积和压力从最大变到最小并顺序经历史特灵循环的四个过程时，工作气体从一个空间到另一空间周期性地来回运动，而且由于通过位于压缩气缸和膨胀气缸之间的回热器的脉动流量，工作流体产生压力损失，因此旋转速度的增加导致了扭距的降低。另外，因为通过小传热面积的气缸壁难以实现工作气体的充分加热和冷却，所以回热器209的两侧设置冷却器212和加热器214，如图9所示，而且必须使用一种低分子量的气体，如氢或氦，作为工作气体。但是，在低分子量的气体被用作工作气体时，容易发生泄漏，因此使用一种高性能的气体密封非常重要。
参照图10和11，一种理想的史特灵循环包括：处于低温压缩部分223时的等温压缩(I-II)，经过回热器221时的等容加热(II-III)，处于高温膨胀部分224时的等温膨胀(III-IV)，和经过回热器221时的等容排热(IV-I)。但是，实际的循环更象图12中所示的，其比理想情况的效率低很多。下面将说明理想的史特灵循环和实际循环之间的这种差别的原因，和实现理想循环的困难。
首先，为了实现理想史特灵循环的等温压缩(I-II)和等温膨胀(III-IV)部分，必须发生通过气缸壁内表面的快速热传递。但是，即使在气缸外侧安装足够多的传热销，由于与工作气体接触的气缸壁的内表面的面积是有限的，所以也难以等温地加热或冷却工作气体。如果使发动机运行更快和尺寸更大，这更成为问题，在所述情况下，气缸内的过程变得比等温(无穷热传递)的更绝热(没有热传递)。
为此，在回热器209的相对端安装有附加的加热器214和冷却器212，以确保工作气体的有效加热和冷却。尽管加热器214和冷却器212考虑到工作气体的有效加热和冷却来增加功率系数，但是这种热交换器的设置带来如下一些损失。
具体地，包括加热器214、回热器209和冷却器212的无用容积的增加降低了输出。另外，它导致了反常情况，其中膨胀的工作气体在于回热器209中放出热量之前从加热器214获得热量，且其中压缩气体不得不在返回回热器209以获取热量之前经过冷却器212。结果，流阻增加，热效率降低。另外，施加给构件的热应力增加，因此必须谨慎地选择构件的材料，而且在制造装置时还带来其它限制。
在图10所示的理想史特灵循环中，由于活塞225和227的运动是不连续的，只有压缩出现在低温压缩部分223中，而且只有膨胀出现在高温膨胀部分224中。但是，在图9所示的实际的往复史特灵发动机中，压缩活塞203和膨胀活塞201被连接在一起，以共同运动，因此在通过低温部分的压缩活塞203的压缩期间，也略微发生由高温部分的膨胀活塞201的操作引起的压缩。同样，在高温部分的膨胀活塞201的膨胀期间，也略微发生由低温部分的压缩活塞203的操作引起的膨胀。这是为什么实际史特灵发动机的效率比理想卡诺热机(Carnot engine)的效率低得多的另一个主要原因。
蒸汽循环包括四个连续变化。它们包括工作流体的加热、蒸发、膨胀和冷凝。兰金循环为工作流体的压力和温度变化的理想循环过程，并被用作评价蒸气动力设备性能的标准。
参照图13，蒸汽机300通常包括一供水泵303(绝热压缩)、一锅炉305和一再加热器307(等压加热)、涡轮309和312(绝热膨胀)、和一冷凝器301(等压热辐射)。蒸汽涡轮机通常主要被蒸汽机中的动力输出装置使用，其中所述蒸汽机用作外燃机。蒸汽涡轮机将热能转化为动能，以使高速蒸汽撞击涡轮而获得该涡轮的旋转力。
作为一种提高蒸汽循环中的效率的方式，参照图13使用再加热器307，而且膨胀阶段的蒸汽在饱和之前被抽出到涡轮309的外侧，并在再加热器307中被加热后成为过热蒸汽。所述蒸汽被再次导向涡轮312以使用再加热循环，该循环使蒸汽膨胀，直到达到输出压力。通过增加再加热阶段的数量，可以提高热效率。但是，如果增加再加热阶段的数量，那么流体需要在锅炉305和涡轮309及312之间循环，组件的整体尺寸和设备成本增加，而且操作控制变得复杂化。因此，再加热通常进行一到两次，其在蒸汽循环的效率方面有局限性。
在往复活塞或汪克尔旋转装置中，其为用作代替蒸汽涡轮309和312的外燃机的传统正排量膨胀机，由于与容量增加时的容积相比，通过气缸壁的传热面积减小，所以效率与装置尺寸的增加成比例地降低。
发明内容
本发明提供一种涡卷式膨胀机，其同时进行膨胀和再加热，从而实现了接近等温膨胀的高效膨胀，并且这样没有由压力损失引起的效率降低，其中该压力损失发生在将如气体或蒸汽的工作流体供给涡卷式膨胀机的中央区域的期间；而且其使固定涡卷构件和绕转涡卷构件及涡卷壳的温度分布之间的温差最小。
本发明还涉及一种使用涡卷式膨胀机的热交换系统，其用一对涡卷式压缩机和膨胀机来代替传统往复史特灵发动机或致冷器中的活塞，从而该热交换系统可以被用作史特灵发动机或致冷器。
本发明还提供一种蒸汽机，其中传统蒸汽机(兰金循环)中的蒸汽涡轮机用涡卷式膨胀机代替，从而蒸汽循环具有再加热循环和再生循环。
在一实施例中，本发明提供了一种涡卷式膨胀机，其包括一密封的壳体，该壳体具有一朝向外部区域的加热表面并在中央区域和周边区域处都包括至少一个流入开口和排出开口；固定涡卷构件，其固定在壳体内部并从壳体的中央区域以螺旋状向外延伸；绕转涡卷构件，其在壳体内与固定涡卷构件配合并从壳体的中央区域以螺旋状向外延伸，所述绕转涡卷构件沿预定的绕转半径作绕转运动，以连续地膨胀进入壳体的工作流体；加热室，其设置到壳体的外周并在工作流体由绕转涡卷构件的运动而膨胀时提供热量；和驱动轴，其连接到绕转涡卷构件，以驱动所述涡卷构件。
涡卷式膨胀机还包括一预热管，所述预热管连接到壳体中央区域的工作流体流入开口并延伸如加热室而通过加热室，从而进入加热室的工作流体可以吸收热量；和多个形成于设在加热室内的壳体外加热表面的加热销。
一动力传递轴可以连接到驱动轴之一的外侧，以便能将动力传递到涡卷式膨胀机的外侧。
涡卷式膨胀机还包括作为传热组件的加热管，其连接到加热室并能通过潜热造成的低温差传递大量热量。
所述蒸汽机包括一个如上所述的涡卷式膨胀机；一个热交换器，在涡卷式膨胀机中膨胀并从该涡卷式膨胀机排出的高温工作流体经过该热交换器；一个冷凝器，用于冷凝经过热交换器的工作流体；一个储存罐，用于储存经过冷凝器的工作流体；和一个泵，用于加压经过储存罐的工作流体。在泵中加压的工作流体再次循环经过热交换器，以从高温热源接收热量。
对于本发明的涡卷式膨胀机，加热、膨胀和再加热发生在膨胀机本身内，从而实现了紧凑的结构，而且实现了接近无限级再加热循环的等温膨胀。
所述涡卷式热交换系统包括一涡卷式压缩机，该压缩机包括一密封壳体，该壳体具有一热辐射表面并在中央区域和周边区域处都具有至少一个流入开口和排出开口；一固定涡卷构件，其固定在壳体内部并从壳体的中央区域以螺旋状向外延伸；和一绕转涡卷构件，其在壳体内与固定涡卷构件配合并从壳体的中央区域以螺旋状向外延伸，该绕转涡卷构件沿预定的绕转半径作绕转运动，以连续地压缩进入壳体的工作流体，所述系统还包括一涡卷式膨胀机，该膨胀机包括：一密封壳体，该壳体具有一加热表面并在中央区域和周边区域处都包括至少一个流入开口和排出开口；一固定涡卷构件，其固定在壳体内部并从壳体的中央区域以螺旋状向外延伸；一绕转涡卷构件，其在壳体内与固定涡卷构件配合并从壳体的中央区域以螺旋状向外延伸，该绕转涡卷构件沿预定的绕转半径作绕转运动，以连续地膨胀进入壳体的工作流体；以及，加热室，其设置于壳体的外周并在工作流体由绕转涡卷构件的运动而膨胀时提供热量，所述系统还包括下述装置：一驱动器，其连接到涡卷式压缩机和涡卷式膨胀机的各绕转涡卷构件上，以驱动绕转涡卷构件；一第一连接器，其连接位于涡卷式压缩机和涡卷式膨胀机的外部区域处的工作流体排出和流入开口；一第二连接器，其连接位于涡卷式压缩机和涡卷式膨胀机的中央区域处的工作流体排出和流入开口；一回热器，第一和第二连接器以彼此邻近的状态通过该回热器，以实现经过第一和第二连接器的工作流体之间的热交换；和工作流体，其在涡卷式压缩机中被压缩，通过涡卷式压缩机中央区域处的排出开口排出，经第二连接器通过回热器，然后经涡卷式膨胀机中央区域处的流入开口供给，之后，工作流体在涡卷式膨胀机中经历膨胀，并通过涡卷式膨胀机外部区域处的排出开口排出，经第一连接器通过回热器，并通过涡卷式压缩机外部区域处的流入开口供给，从而实现工作流体经过热交换系统的循环。
涡卷式热交换系统还可以包括一冷却部，其设于壳体上围绕涡卷式压缩机的外周周围，以便工作流体压缩时产生的热被向外排出。
涡卷式热交换系统还可以包括一冷却器，其连接到设置在涡卷式压缩机的外部区域处的工作流体流入开口，并用于冷却经过回热器之后被供给涡卷式压缩机的工作流体；和一加热器，其连接到设置在涡卷式膨胀机的中央区域处的工作流体排出开口，并用于加热经过回热器之后被供给涡卷式膨胀机的工作流体。
涡卷式热交换系统还可以包括一旁通管路，其连通位于离壳体中央区域预定距离的中央压缩区域和连接到中央区域的工作流体排出开口处的连接器之间的区域；和一控制阀，其安装在旁通管路上，用以控制旁通的流体量，以改变压缩量。
当比涡卷式压缩机温度高的温度的热量供给涡卷式膨胀机时，所述涡卷式热交换系统可以用作发动机，且动力从连接到涡卷式膨胀机和涡卷式压缩机的驱动器输出。另外，当动力输入至连接于涡卷式膨胀机和涡卷式压缩机的驱动器时，所述涡卷式热交换系统可以用作致冷器，而且比涡卷式压缩机温度低的温度的热量在涡卷式膨胀机中被吸收。
在本发明的涡卷式热交换系统中，机械构造简单，而且压缩和膨胀被连续地进行，所以扭距几乎没有变化，而且工作流体的流动方向没有改变。因此，可以如此实现流动线路和回热器结构，而使流阻较小。
另外，由于与压缩机和膨胀机中的工作流体接触的传热面积相当大，所以接近理想史特灵循环的高效等温压缩和膨胀是可能的，而且加热器和冷却器可以作得较小或者完全除去，从而减少无用容积，以提高输出。最后，通过最小化或消除对加热器的需要可以降低整体的制造成本。
在本发明的涡卷式热交换系统中，由于工作流体流动是单向的，所以在加热器中加热的工作流体在膨胀后不进行再加热，而且在冷却器中冷却的工作流体在压缩后不进行再冷却，从而可降低由反常情况引起的热损失、流阻、热应力等。
另外，由于低温压缩和高温膨胀作为完全独立的过程实现，所以可以得到接近理想循环的高效率。另外，由压缩机中的旁通管路进行的压缩比控制是容易的，所以可进行有效的发动机控制。
最后，在本发明的涡卷式热交换系统中，由于连续、稳态的驱动是可能的，所以在构件中几乎没有周期性的温度和压力变化，从而对构件的材料选择和加工的限制得以显著减少，并因此可以实现低噪音、低振动、小尺寸和轻量化。
附图说明
图1为表示固定涡卷构件和绕转涡卷构件之间相互作用的示意图，用于说明涡卷式压缩机的操作。
图2为根据本发明优选实施例的涡卷式膨胀机的剖视图。
图3为根据本发明第一实施例的涡卷式热交换系统的示意图。
图4为带有连接到其上的冷却器和加热器的、根据本发明第一实施例的涡卷式热交换系统的示意图。
图5为根据本发明第二实施例的涡卷式热交换系统的剖视图。
图6为根据本发明第三实施例的涡卷式热交换系统的示意图。
图7为根据本发明一优选实施例连接到旁通管路上的涡卷式装置的示意图。
图8为传统的往复史特灵发动机的示意图。
图9为带有加热器和冷却器的传统往复史特灵发动机的示意图。
图10为用于描述理想史特灵循环中的顺序过程的示意图。
图11为理想史特灵循环的压强-体积(P-V)图。
图12为实际史特灵循环的压强-体积(P-V)图。
图13为使用再加热循环的传统兰金系统的示意图。
图14为包括根据本发明的优选实施例的涡卷式膨胀机的蒸汽机的剖视图。
具体实施方式
现在将参照附图详细描述本发明的优选实施例。
参照图2，根据本发明一优选实施例的涡卷式膨胀机10包括设置在壳体12内的固定涡卷构件13和绕转涡卷构件15，而且它进行流入涡卷式膨胀机10的工作流体的膨胀，然后将所述工作流体从壳体12排出。
壳体12包括一朝向外侧的加热表面；两个朝向中央区域的流入开口27，其用作工作流体的入口，该流入开口27设置在上部和下部区域处；和一排出开口23，其容许工作流体排出到壳体12外。
固定涡卷构件13固定到壳体12的内表面并从壳体12的中央区域以螺旋状向外延伸。一对固定涡卷构件13以对置的结构设置。固定涡卷构件13的中央与壳体12的流入开口27对应。
绕转涡卷构件15在壳体12内与固定涡卷构件13配合，而且其也从壳体12的中央区域以螺旋状向外延伸。绕转涡卷构件15沿预定的绕转半径作绕转运动，以连续地膨胀进入壳体12的工作流体。一对绕转涡卷构件15安装在所述对相对置的固定涡卷构件13之间，且一个绕转涡卷构件15与一个固定涡卷构件13相配合。
加热室17设置在壳体12的外周。当工作流体通过绕转涡卷构件15的运动膨胀时，加热室17将热量供给到壳体12的内部。
在加热室17中可以设置加热管(未示出)，以便有足够的传热和均匀的温度分布。加热管能通过潜热造成的低温差传递大量热量。
预热管25连接到流入开口27并延伸到加热室17中。预热管25通过加热室17，以便进入加热室17的工作流体可以吸收热量。
另外，在壳体12的外加热表面设有多个加热销19，所述表面位于加热室17内。加热销19增加了相对壳体12的传热率。
驱动轴29连接到绕转涡卷构件15，以驱动所述构件。其中的两个驱动轴29连接到绕转涡卷构件15的两端。动力传递轴32连接到其中的一个驱动轴29上，以使动力传递到涡卷式膨胀机10的外部。一轴承组件34安装在驱动轴29连接处，以承受旋转。
另外，一密封件36设置在驱动轴29的各连接区域处。密封件36防止润滑油的泄漏。另外，在轴承组件34和壳体12之间形设有一隔热部件38，以防止轴承组件34过热。
经预热管25供给的工作流体在经过预热管25的同时经历初始的加热过程，并通过流入开口27供到壳体12内部。然后，工作流体在经过绕转涡卷构件15和固定涡卷构件13之间时慢慢膨胀。在此过程期间，工作流体由壳体12的大加热表面和涡卷壳的有效供给热量再次加热，从而实现接近等温膨胀的高效膨胀。以此方式，膨胀的工作流体通过排出开口23排到壳体12外部。
当涡卷式膨胀机10的温度比供给的工作流体的温度低时，本发明优选实施例的涡卷式膨胀机10还可以用作致冷器的涡卷式膨胀机，该致冷器吸收由外部动力驱动的涡卷式膨胀机10中的热量。
参照图3，根据本发明第一优选实施例的涡卷式热交换系统100的基本结构包括：一涡卷式压缩机112、一涡卷式膨胀机132和一回热器120。涡卷式压缩机112和涡卷式膨胀机132通过第一连接器121和第二连接器123相互连接。
涡卷式压缩机112包括设置在壳体113内的固定涡卷构件114和绕转涡卷构件116，用于压缩进入涡卷式压缩机112的工作流体并将压缩的工作流体经中央区域排出。壳体113包括一个位于外部区域的工作流体流入开口和一个位于中央区域的工作流体排出开口，而且另外从外部密封。固定涡卷构件114固定在壳体113内并从壳体113的中央区域以螺旋状向外延伸。绕转涡卷构件116在壳体113内与固定涡卷构件114配合，并也从壳体113的中央区域以螺旋状向外延伸。绕转涡卷构件116在固定涡卷构件114形成的空间中沿预定的绕转半径作绕转运动，以连续地压缩进入壳体113的工作流体。
一冷却部118设于围绕涡卷式压缩机112的壳体113的外周周围。该冷却部118容许压缩工作流体时产生的热量被排到外部。为了实现这点，壳体113具有朝向其外部区域的热辐射表面。
涡卷式膨胀机132包括设置在壳体133内的固定涡卷构件134和绕转涡卷构件136，用于膨胀进入涡卷式膨胀机132的工作流体并将膨胀的工作流体排出。壳体133包括一个位于中央区域的工作流体流入开口和一个位于外部区域的工作流体排出开口，而且另外从外部密封。固定涡卷构件134固定在壳体133内并从壳体133的中央区域以螺旋状向外延伸。绕转涡卷构件136在壳体133内与固定涡卷构件134配合，并也从壳体133的中央区域以螺旋状向外延伸。绕转涡卷构件136在固定涡卷构件134形成的空间中沿预定的绕转半径绕转运动，以连续地膨胀进入壳体133的工作流体。
一加热部138设于围绕涡卷式膨胀机132的壳体133的外周周围。该加热部118容许在工作流体的膨胀期间供给热量，而且为了实现这个，壳体133具有朝向其外部区域的加热表面。
涡卷式压缩机112和涡卷式膨胀机132的各绕转涡卷构件116和136分别连接到一驱动器(未示出)上，从而绕转涡卷构件116和136可以进行绕转运动。
如上所述，涡卷式压缩机112和涡卷式膨胀机132通过第一连接器121和第二连接器123相互连接。详细来说，第一连接器121将涡卷式压缩机112和涡卷式膨胀机132外部区域处的工作流体排出和流入开口连接起来，而第二连接器123将涡卷式压缩机112和涡卷式膨胀机132中央区域处的工作流体排出和流入开口连接起来。
在回热器120中通过以这种方式构造的第一和第二连接器121和123实现热交换。第一和第二连接器121和123以彼此相邻的状态通过回热器120，以实现经过第一和第二连接器121和123的工作流体之间的热交换。
工作流体在涡卷式压缩机112中被压缩，然后经过涡卷式压缩机112中央区域处的排出开口排出，经第二连接器123通过回热器120，然后经过涡卷式膨胀机132中央区域处的流入开口供给。所述工作流体然后在涡卷式膨胀机132中膨胀，经过涡卷式膨胀机132外部区域处的排出开口排出，经第一连接器121通过回热器120，然后经过涡卷式压缩机112外部区域处的流入开口供给压缩机。重复该过程，以实现工作流体经过热交换系统100的循环
参照图4，根据本发明第一实施例的涡卷式热交换系统100中可以进一步包括冷却器125和加热器127。
冷却器125连接到设置于涡卷式压缩机112外部区域的工作流体流入开口，用于冷却经过回热器120之后供给涡卷式压缩机112的工作流体。加热器127连接到设置于涡卷式膨胀机132中央区域的工作流体排出开口，用于加热经过回热器120之后供给涡卷式膨胀机132的工作流体。
当涡卷式膨胀机132的温度比涡卷式压缩机112的温度高时，涡卷式热交换系统100用作发动机，从而以史特灵发动机的方式在涡卷式膨胀机132中接收热量并在涡卷式压缩机112中排出热量。另外，热量从膨胀后的工作流体传递给压缩后的工作流体，而且动力经一驱动器输出。
另一方面，如果涡卷式膨胀机132的温度比涡卷式压缩机112的温度低，涡卷式热交换系统100用作致冷器，从而经驱动器接收外部动力，并以史特灵致冷器的方式从涡卷式膨胀器132接收热量并从涡卷式压缩机输出热量。另外，热量从压缩后的工作流体传递给膨胀后的工作流体。
图5为根据本发明第二实施例的涡卷式热交换系统的剖视图。
参照该图，根据本发明第二实施例的涡卷式热交换系统140基本具有和根据本发明第一实施例的涡卷式热交换系统100相同的结构。但是，在涡卷式压缩机141的壳体142中设置有一对固定涡卷构件143和一对绕转涡卷构件145，在涡卷式膨胀机151的壳体152中设置有一对固定涡卷构件153和一对绕转涡卷构件155，从而，不会产生倾覆力矩。
在涡卷式压缩机141的壳体142的外表面形成若干冷却销149，在涡卷式膨胀机151的壳体152的外表面形成若干加热销159，从而更好地进行冷却和加热。
涡卷式压缩机141和涡卷式膨胀机151的绕转涡卷构件145和155分别各自连接到两个驱动轴165上，以驱动它们。连接到涡卷式压缩机141的绕转涡卷构件145上的第一驱动轴部分165a和连接到涡卷式膨胀机151的绕转涡卷构件155上的第二驱动轴部分165b异相180°。这种结构用于使旋转力引起的不平衡性最小。
所述两个驱动轴165由带或链连接，以同步旋转。另外，驱动轴165通过从涡卷式热交换系统140向外延伸的动力传动轴167将动力传递到外部。一轴承组件169安装在驱动轴165连接处，以进行旋转。
在根据本发明第二实施例的热交换系统140中，工作流体因通过回热器160和冷却室147而被再次冷却。另外，工作流体通过第一连接器161流入涡卷式压缩机141中，以由绕转涡卷构件145的运动而压缩。在压缩期间，工作流体在对应形成冷却室147处的同一区域中由形成在壳体142上的冷却销149再次冷却。
以此方式压缩的工作流体通过第二连接器162经过回热器160，以实现与经过第一连接器161的高温工作流体的热交换，从而被加热。接着，工作流体经过加热室157以再次加热，然后供给到涡卷式膨胀机151内侧，以在作用于绕转涡卷构件155的同时被膨胀。膨胀期间，工作流体在对应形成加热室157处的同一区域由形成在壳体152上的加热销159再次加热。
以此方式膨胀的工作流体再经第一连接器161通过回热器160，以实现与经过第二连接器162的低温工作流体的热交换，从而被冷却。接着，该工作流体被供应到涡卷式压缩机141的内部，完成循环。
涡卷式压缩机141的上和下冷却室147相互连接，而且涡卷式膨胀机151的上和下加热室157相互连接。另外，通过涡卷式压缩机141的上和下中央区域排出的工作流体被合并，用于供给回热器160，而且从回热器160供给涡卷式膨胀机151的工作流体也被合并。
图6是根据本发明第三实施例的涡卷式热交换系统的示意图。
参照该图，在根据本发明第三实施例的热交换系统中，在该系统的中间区域设置一中央涡卷式压缩机172。另外，比中央涡卷式压缩机172温度高的第一涡卷式膨胀机174连接于该压缩机的一侧，比涡卷式压缩机172温度低的第二涡卷式膨胀机176连接于该压缩机的一侧。以此方式构造的热交换系统可以用作由史特灵发动机驱动的史特灵致冷器。
即，高温第一涡卷式膨胀机174和涡卷式压缩机172的组合用作史特灵发动机，低温第二涡卷式膨胀机176和涡卷式压缩机172的组合用作史特灵致冷器。
通过结合使用第一涡卷式膨胀机174和第二涡卷式膨胀机176可以实现这种结构，其中两者均具有用于涡卷式压缩机172工作流体的流入和排出开口。因此，工作流体在涡卷式压缩机172中被压缩，然后通过中央区域的排出开口排出。部分工作流体通过第二连接器182，然后通过第一回热器185，之后，所述工作流体流入第一涡卷式膨胀机174的中央区域流入开口，以在其中被膨胀。所述工作流体然后经外周的排出开口排出，通过第一连接器181和第一回热器185，并流入涡卷式压缩机172外周的流入开口，从而实现通过该系统的循环。另一部分工作流体经过第四连接器184和第二回热器186，流入第二涡卷式膨胀机176中央区域的流入开口，以在其中被膨胀。所述工作流体然后经外周的排出开口排出，通过第三连接器183和第二回热器186，流入涡卷式压缩机172外周的流入开口，从而实现通过该系统的循环。
通过公同使用用于史特灵发动机和史特灵致冷器的涡卷式压缩机，可以实现由史特灵发动机驱动的史特灵致冷器的紧凑结构。另外，由于致冷驱动后剩余的动力可以用于使用发电机产生电能，所以可以实现这样一种系统，其即能实现空调，又能实现发电。
图7为根据本发明一优选实施例的、连接到旁通管路上的涡卷式组件的示意图。
在用于往复史特灵装置的传统控制方法中，尽管作为行程调节的结果，存在内部工作气体压力变化，无用容积控制和压缩比变化，但是整个装置复杂且成本高。参照图7，在用于使用涡卷式装置的史特灵循环装置的控制方法中，通过控制涡卷式压缩机的固定涡卷构件191的中央压缩区域处的旁通管路193控制压缩能力。因此，易于控制压缩量。从而快速并有效实现发动机控制。
所述中央压缩区域位于距涡卷式压缩机中央区域预定距离处。另外，旁通管路193连通一连接器，该连接器连接于涡卷式压缩机的中央区域和所述中央压缩区域。一控制阀195设置在旁通管路193上，以控制被旁通的流体量。
图14为包括根据本发明的优选实施例的涡卷式膨胀机的蒸汽机的剖视图。
参照该图，除了涡卷式膨胀机410之外，该蒸汽机包括热交换器440、冷凝器441、储存罐443和泵445。
涡卷式膨胀机410的排出开口423连接于热交换器440，以便在涡卷式膨胀机410中膨胀并从其排出的高温工作流体经过热交换器440。该热交换器440还连接于冷凝器441。
经过热交换器440的工作流体流入冷凝器441，以在其中冷凝。冷凝器441还连接于储存罐443，以便经过冷凝器441的工作流体可临时储存在储存罐443中。储存罐443连接于泵445，用于作为气体-水分离器，以提高泵445的压缩效率并补充工作流体。
泵445用于加压从储存罐443供给的工作流体。泵445还被连接到热交换器440。
在泵445中加压的工作流体在经过热交换器440时通过从涡卷式膨胀机410排出的高温工作流体接收热量而被加热。以此方式加热的工作流体通过一预热管425供给涡卷式膨胀机410。
具有如上构造的涡卷式膨胀机的蒸汽机与使用再生循环和无限级再加热循环的蒸汽涡轮机兰金系统运转相同。
尽管上面已经详细描述了本发明的优选实施例，但是对于本领域的普通技术人员而言，应该清楚地理解，此处给出的基本创造性观点的许多变化和/或变型仍将落在本发明的精神和范围内，正如所附权利要求中所限定的。

Claims (20)

1.一种涡卷式膨胀机，包括：
一密封壳体，该壳体具有一朝向外部区域的加热表面并在中央区域和周边区域处都包括至少一个流入开口和排出开口；
至少一个固定涡卷构件，其固定在壳体内部并从壳体的中央区域以螺旋状向外延伸；
至少一个绕转涡卷构件，其在壳体内与固定涡卷构件配合并从壳体的中央区域以螺旋状向外延伸，所述绕转涡卷构件沿预定的绕转半径作绕转运动，而连续地膨胀进入壳体的工作流体；
加热室，其设置于壳体的外周并在工作流体由绕转涡卷构件的运动而膨胀时提供热量；和
驱动轴，其连接于绕转涡卷构件，而驱动所述绕转涡卷构件。
2.如权利要求1所述的涡卷式膨胀机，其特征在于，还包括一预热管，所述预热管连接于壳体中央区域的工作流体流入开口并延伸到加热室中并通过所述加热室，使得进入加热室的工作流体可以吸收热量。
3.如权利要求1所述的涡卷式膨胀机，其特征在于，还包括加热管，所述加热管连接于所述加热室并能通过潜热造成的低温差传递热量。
4.如权利要求1所述的涡卷式膨胀机，其特征在于，还包括多个设在位于所述加热室内的壳体的外加热表面的加热销。
5.如权利要求1所述的涡卷式膨胀机，其特征在于，还包括一动力传递轴，所述动力传递轴连接于其中一个所述驱动轴的外侧，以便能将动力传递到所述涡卷式膨胀机外。
6.如权利要求1所述的涡卷式膨胀机，其特征在于：所述绕转涡卷构件连接于至少其中两个驱动轴上，以由所述驱动轴驱动。
7.如权利要求1所述的涡卷式膨胀机，其特征在于：所述壳体中设有一对彼此相对的固定涡卷构件，所述壳体中设有一对与所述固定涡卷构件相配合的绕转涡卷构件。
8.如权利要求1所述的涡卷式膨胀机，其特征在于：所述驱动轴与壳体的各连接区域处设有一轴密封件，所述密封件提供润滑密封。
9.如权利要求1所述的涡卷式膨胀机，其特征在于：所述驱动轴连接于壳体处安装有一轴承组件，而且所述驱动轴连接于壳体处设有一隔热部件，以防止轴承组件过热并防止热量从壳体内部散失。
10.一种涡卷式热交换系统，包括：
一涡卷式压缩机，所述压缩机包括一密封壳体，所述壳体具有一热辐射表面并在中央区域和周边区域处都具有至少一个工作流体流入开口和排出开口；一固定涡卷构件，其固定在壳体内部并从壳体的中央区域以螺旋状向外延伸；和一绕转涡卷构件，其在壳体内与固定涡卷构件配合并从壳体的中央区域以螺旋状向外延伸，所述绕转涡卷构件沿预定的绕转半径作绕转运动，而连续地压缩进入所述壳体的工作流体；
一涡卷式膨胀机，所述膨胀机包括：一密封壳体，所述壳体具有一加热表面并在中央区域和周边区域处都具有至少一个工作流体流入开口和排出开口；一固定涡卷构件，其固定在壳体内部并从壳体的中央区域以螺旋状向外延伸；一绕转涡卷构件，其在壳体内与所述固定涡卷构件配合并从壳体的中央区域以螺旋状向外延伸，所述绕转涡卷构件沿预定的绕转半径作绕转运动，而连续地膨胀进入壳体的工作流体；以及，加热室，其设置于壳体的外周并在工作流体由绕转涡卷构件的运动而膨胀时提供热量；
一驱动器，其连接于所述涡卷式压缩机和涡卷式膨胀机的各绕转涡卷构件上，以驱动所述绕转涡卷构件；
一第一连接器，其连接着位于所述涡卷式压缩机和涡卷式膨胀机的外部区域处的工作流体排出和流入开口；
一第二连接器，其连接着位于涡卷式压缩机和涡卷式膨胀机的中央区域处的工作流体排出和流入开口；
一回热器，第一和第二连接器以彼此邻近的状态通过该回热器，而实现经过第一和第二连接器的工作流体之间的热交换；和
工作流体，其在涡卷式压缩机中受压缩，通过涡卷式压缩机中央区域处的排出开口排出，经第二连接器通过回热器，然后经涡卷式膨胀机中央区域处的流入开口供给，之后，工作流体在涡卷式膨胀机中经历膨胀，并通过涡卷式膨胀机外部区域处的排出开口排出，经第一连接器通过回热器，并通过涡卷式压缩机外部区域处的流入开口供给，而实现工作流体经过热交换系统的循环。
11.如权利要求10所述的涡卷式热交换系统，其特征在于，还包括一冷却部，所述冷却部设于壳体上围绕涡卷式压缩机的外周周围，使工作流体压缩时产生的热向外排出。
12.如权利要求10所述的涡卷式热交换系统，其特征在于，还包括一冷却器，所述冷却器连接于设置在涡卷式压缩机外部区域的工作流体流入开口，用于冷却经过回热器之后供给涡卷式压缩机的工作流体；和一加热器，所述加热器连接于设置在涡卷式膨胀机中央区域的工作流体排出开口，用于加热经过回热器之后供给涡卷式膨胀机的工作流体。
13.如权利要求10所述的涡卷式热交换系统，其特征在于：所述涡卷式压缩机和涡卷式膨胀机的绕转涡卷构件各自连接于两个驱动轴上，由所述驱动轴驱动。
14.如权利要求13所述的涡卷式热交换系统，其特征在于：连接于所述涡卷式压缩机的绕转涡卷构件上的驱动轴与连接于所述涡卷式膨胀机的绕转涡卷构件上的驱动轴保持180°的相位差。
15.如权利要求10所述的涡卷式热交换系统，其特征在于，还包括多个设于所述涡卷式压缩机的壳体外表面和涡卷式膨胀机的壳体外表面的加热销，所述加热销使热量的吸收与释放更为容易。
16.如权利要求10所述的涡卷式热交换系统，其特征在于，还包括一旁通管路，所述旁通管路连通位于离壳体中央区域预定距离的中央压缩区域和连接到中央区域的工作流体排出开口处的连接器之间的区域；而且还包括一控制阀，其安装在旁通管路上，用以控制旁通的流体量，而改变压缩量。
17.如权利要求10所述的涡卷式热交换系统，其特征在于：当比涡卷式压缩机温度更高的热量供给涡卷式膨胀机，且动力从连接到涡卷式膨胀机和涡卷式压缩机的驱动器输出时，所述系统用作发动机。
18.如权利要求10所述的涡卷式热交换系统，其特征在于：当动力输入连接到涡卷式膨胀机和涡卷式压缩机的驱动器，且比涡卷式压缩机温度更低的热量在涡卷式膨胀机中被吸收时，所述涡卷式热交换系统用作致冷器。
19.一种涡卷式热交换系统，包括：
一第一涡卷式膨胀机，所述膨胀机包括：一密封壳体，所述壳体具有一加热表面并在中央区域和周边区域处都具有至少一个工作流体流入开口和排出开口；一固定涡卷构件，其固定在壳体内部并从壳体的中央区域以螺旋状向外延伸；一绕转涡卷构件，其在壳体内与固定涡卷构件配合并从壳体的中央区域以螺旋状向外延伸，所述绕转涡卷构件沿预定的绕转半径作绕转运动，而连续地膨胀进入壳体的工作流体；以及，加热室，其设置于壳体的外周并在工作流体由绕转涡卷构件的运动而膨胀时提供热量；
一涡卷式压缩机，所述压缩机包括一密封壳体，所述壳体具有一热辐射表面并在中央区域和周边区域处都具有至少一个工作流体流入开口和排出开口；一固定涡卷构件，其固定在壳体内部并从壳体的中央区域以螺旋状向外延伸；和一绕转涡卷构件，其在壳体内与固定涡卷构件配合并从壳体的中央区域以螺旋状向外延伸，所述绕转涡卷构件沿预定的绕转半径作绕转运动，而连续地压缩进入壳体的工作流体；
一第二涡卷式膨胀机，所述膨胀机包括：一密封壳体，所述壳体具有一加热表面并在中央区域和周边区域处都具有至少一个工作流体流入开口和排出开口；一固定涡卷构件，其固定在壳体内部并从壳体的中央区域以螺旋状向外延伸；一绕转涡卷构件，其在壳体内与固定涡卷构件配合并从壳体的中央区域以螺旋状向外延伸，所述绕转涡卷构件沿预定的绕转半径作绕转运动，而连续地膨胀进入壳体的工作流体；以及，加热室，其设置于壳体的外周并在工作流体由绕转涡卷构件的运动而膨胀时提供热量；
一驱动器，其连接于所述涡卷式压缩机和涡卷式膨胀机的各个绕转涡卷构件上，驱动所述绕转涡卷构件；
一第一连接器，其连接着位于所述涡卷式压缩机和涡卷式膨胀机的外部区域处的工作流体排出和流入开口；
一第二连接器，其连接着位于所述涡卷式压缩机和涡卷式膨胀机的中央区域处的工作流体排出和流入开口；
一第一回热器，所述第一和第二连接器以彼此邻近的状态通过该回热器，以实现经过第一和第二连接器的工作流体之间的热交换；
一第三连接器，其连接着位于所述涡卷式压缩机和涡卷式膨胀机的外部区域处的工作流体排出和流入开口；
一第四连接器，其连接着位于所述涡卷式压缩机和涡卷式膨胀机的中央区域处的工作流体排出和流入开口；
一第二回热器，所述第三和第四连接器以彼此邻近的状态通过该回热器，以实现经过第三和第四连接器的工作流体之间的热交换；和
工作流体，其在所述涡卷式压缩机中被压缩，通过涡卷式压缩机中央区域处的排出开口排出，然后部分工作流体经第二连接器通过第一回热器，然后经第一涡卷式膨胀机中央区域处的流入开口供给，之后，所述工作流体在第一涡卷式膨胀机中经历膨胀，通过涡卷式膨胀机外部区域处的排出开口排出，经第一连接器通过第一回热器，并通过涡卷式压缩机外部区域处的流入开口供给；另一部分工作流体经第四连接器通过第二回热器，然后经第二涡卷式膨胀机中央区域处的流入开口供给，之后，所述工作流体在第二涡卷式膨胀机中经历膨胀，并通过第二涡卷式膨胀机外部区域处的排出开口排出，经第三连接器通过第二回热器，并通过涡卷式压缩机外部区域处的流入开口供给压缩机，而实现工作流体通过该热交换系统的循环，
其中，所述第一涡卷式膨胀机和涡卷式压缩机可以用作发动机，第二涡卷式膨胀机和涡卷式压缩机可以用作致冷器。
20.一种蒸汽机，包括：
一涡卷式膨胀机，所述膨胀机包括一密封壳体，所述壳体具有一加热表面并在中央区域和周边区域处都具有至少一个工作流体流入开口和排出开口；一固定涡卷构件，其固定在壳体内部并从壳体的中央区域以螺旋状向外延伸；和一绕转涡卷构件，其在壳体内与固定涡卷构件配合并从壳体的中央区域以螺旋状向外延伸，该绕转涡卷构件沿预定的绕转半径作绕转运动，而连续地膨胀进入壳体的工作流体；加热室，其设置于壳体的外周并在工作流体由绕转涡卷构件的运动而膨胀时提供热量；和驱动轴，其连接于绕转涡卷构件，驱动所述涡卷构件；
一热交换器，在涡卷式膨胀机中膨胀过的并从该涡卷式膨胀机排出的高温工作流体经过该热交换器；
一冷凝器，用于冷凝经过热交换器的工作流体；
一储存罐，用于储存经过冷凝器的工作流体；和
一泵，用于加压经过储存罐的工作流体，
其中，在泵中加压的工作流体再次循环经过热交换器，以从高温热源接收热量而受到加热。
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