CN101509475B - 将热能转换成电能的装置 - Google Patents

Abstract

将热能转换成电能的装置，它涉及的是热能转换技术领域。它是为了克服现有热机无法使用内燃机排放出来的低温热能，只能散发到空气中，而产生巨大的环境热污染和浪费了大量有限能源。它的气体介质设置在活塞式直线发电机总成与第一倒气总成、第二倒气总成连通的空腔内，控制电路的多个位置检测探头都设置在活塞式直线发电机总成中；控制电路的两个驱动输出端分别连接第一倒气总成中电磁式活塞驱动总成的输入端和第二倒气总成中电磁式活塞驱动总成的输入端。本发明能将低温热源转换成电能，其高温端的工作温度范围为70℃～1000℃，其低温端的工作温度范围为-50℃～50℃，其热转换效率为8％～80％，它还具有功率/重量比大、噪声小、结构简单、成本低廉的优点。

Description

将热能转换成电能的装置

技术领域

本发明涉及的是热能转换技术领域。

背景技术

现有内燃机广泛的应用在各个领域中，其中汽车应用的数量是最多的，给人类生活带来了诸多便利，但其热/机转换效率一般是在20％～40％之间，其余60％～80％的热能无法利用而需要向外排放，因其温度比较低，其排气温度在100℃～400℃之间，水箱温度在80℃～100℃之间，而导致现有热机无法再利用转换，进而只能向空气中排放，极大的浪费了地球的有限资源，同时也给人类居住环境带来了巨大的热污染，具统计这也是造成地球环境变暖的主要原因之一。给人类将来的生活环境带来了无法挽回的损失与破坏。

发明内容

本发明是为了克服现有热机无法使用内燃机排放出来的低温热能，只能由排气和水冷却系统散发到空气中，而存在产生巨大的环境热污染和浪费了大量有限能源的问题。进而提出了一种将热能转换成电能的装置。

它包括活塞式直线发电机总成a、第一倒气总成b、第二倒气总成c、控制电路d、气体介质e；

所述活塞式直线发电机总成a由气缸式定子a-1、活塞式动子a-2组成；活塞式动子a-2内设置有多个永磁体a-2-1，气缸式定子a-1上设置有绕组a-1-1；气缸式定子a-1的内圆面在填加绝缘非导磁性材料后形成封闭圆形气缸腔，活塞式动子a-2设置在气缸式定子a-1的封闭圆形气缸腔中，活塞式动子a-2与气缸式定子a-1之间为密封滑动配合连接，在活塞式动子a-2相对气缸式定子a-1运动时，使气缸式定子a-1上的绕组a-1-1的磁通量突变、磁场方向改变而产生电动势；第一倒气总成b为气缸1中设置有上下移动的活塞4，使气体介质e在气缸1的上端部与下端部之间相互倒换，其上端盖2为加热端、下端盖3为降温端；第一倒气总成b的电磁式活塞驱动总成6的上下运动出力端6-1穿过下端盖3的中心通孔3-2后与活塞4下端相连接；第二倒气总成c的组成和连接关系与第一倒气总成b相同；第一倒气总成b的导气端口1-2与气缸式定子a-1的左导气端口a-1-2相连通，而形成封闭空腔，封闭空腔内设置有气体介质e；第二倒气总成c的导气端口与气缸式定子a-1的右导气端口a-1-3相连通，而形成封闭空腔，封闭空腔内设置有气体介质e；控制电路d的多个位置检测探头都设置在活塞式直线发电机总成a中，用于检测活塞式动子a-2的相对气缸式定子a-1的位置；控制电路d的两个驱动输出端分别连接第一倒气总成b中电磁式活塞驱动总成6的输入端和第二倒气总成c中电磁式活塞驱动总成的输入端。

本发明能将低温热源转换成电能，其高温端的工作温度范围为70℃～1000℃，其低温端的工作温度范围为-50℃～50℃，其热转换效率为8％～80％，高温端与低温端温差越大，其热转换效率越高。本装置属于外燃机，其热源随处可见，如：内燃机费热、太阳光能、地热、燃烧热、化学热、环境温差热、海水深度差热。用于汽车中时，能将内燃机的费热再利用(费热温度在80℃～100℃之间)，可提升总输出功率的10％左右，进而能节约燃油达20％左右。

在应用燃烧热时，由于燃料是持续不断地燃烧，这就有可能把不希望在外面产生的污染物降低到最小限度，进而降低了环境污染。

它还具有功率/重量比大、运转平稳、噪声极小、结构简单、对材料要求低、使用方便、维护费用低、成本低廉的优点。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图，图2是具体实施方式二的整体结构示意图，图3是图1中第一倒气总成b的结构示意图，图4是第一倒气总成b中活塞4运动到中间位置时的结构示意图，图5是第一倒气总成b中活塞4运动到下端位置时的结构示意图，图6是第一倒气总成b中活塞4的俯视图，图7是第一倒气总成b中上端盖2的仰视图，图8是第一倒气总成b中下端盖3俯视图，图9是图3中气缸1的A-A向剖视图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9说明本实施方式，本实施方式由活塞式直线发电机总成a、第一倒气总成b、第二倒气总成c、控制电路d、气体介质e组成；

所述活塞式直线发电机总成a由气缸式定子a-1、活塞式动子a-2组成；活塞式动子a-2内设置有多个永磁体a-2-1，气缸式定子a-1上设置有绕组a-1-1；气缸式定子a-1的内圆面在填加绝缘非导磁性材料后形成封闭圆形气缸腔，活塞式动子a-2设置在气缸式定子a-1的封闭圆形气缸腔中，活塞式动子a-2与气缸式定子a-1之间为密封滑动配合连接，在活塞式动子a-2相对气缸式定子a-1运动时，使气缸式定子a-1上的绕组a-1-1的磁通量突变、磁场方向改变而产生电动势，a-1-2为电能输出端；第一倒气总成b为气缸1中设置有上下移动的活塞4，使气体介质e在气缸1的上端部与下端部之间相互倒换，其上端盖2为加热端、下端盖3为降温端；第一倒气总成b的电磁式活塞驱动总成6的上下运动出力端6-1穿过下端盖3的中心通孔3-2后与活塞4下端相连接；第二倒气总成c的组成和连接关系与第一倒气总成b相同；第一倒气总成b的导气端口1-2与气缸式定子a-1的左导气端口a-1-2相连通，而形成封闭空腔，封闭空腔内设置有气体介质e；第二倒气总成c的导气端口与气缸式定子a-1的右导气端口a-1-3相连通，而形成封闭空腔，封闭空腔内设置有气体介质e；控制电路d的多个位置检测探头都设置在活塞式直线发电机总成a中，用于检测活塞式动子a-2的相对气缸式定子a-1的位置；控制电路d的两个驱动输出端分别连接第一倒气总成b中电磁式活塞驱动总成6的输入端和第二倒气总成c中电磁式活塞驱动总成的输入端。

所述第一倒气总成b具体包含气缸1、上端盖2、下端盖3、活塞4、多个导气管5、电磁式活塞驱动总成6；

活塞4的上表面与下表面之间开有多个垂直通孔4-1，每个垂直通孔4-1的内表面中部处到活塞4的外圆面之间都开有水平通孔4-2，活塞4与汽缸1密封滑动连接，汽缸1上端内侧圆周面上开有一圈通槽1-1并与导气端口1-2连通；每个导气管5内中部都设置有导气储热体5-3；每个导气管5上端都开有一个或多个上喷气孔5-1，每个导气管5下端都开有一个或多个下喷气孔5-2，每个垂直通孔4-1中都穿有一个导气管5，每个导气管5都与活塞4密封滑动连接，每个导气管5的两端分别连接在上端盖2的下端面和下端盖3的上端面上，在每个导气管5与上端盖2的下端面的连接处周围都开槽并镶嵌多片导热翅片2-1，每个导气管5的上喷气孔5-1喷出气体的方向都指向其相邻最近的导热翅片2-1；在每个导气管5与下端盖3的上端面的连接处周围都开槽并镶嵌多片导热翅片3-1，每个导气管5的下喷气孔5-2喷出气体的方向都指向其相邻最近的导热翅片3-1；上端盖2的下端边缘处与汽缸1的上端密封连接，下端盖3的上端边缘处与汽缸1的下端密封连接；电磁式活塞驱动总成6的上下运动出力端6-1穿过下端盖3的中心通孔3-2后与活塞4下端相连接；电磁式活塞驱动总成6的外壳与下端盖3的中心通孔3-2的边缘密封连接；活塞4运动到气缸1的最上端时，汽缸1上的一圈通槽1-1、活塞4的多个水平通孔4-2、每个导气管5上端的上喷气孔5-1之间互相导气连通，并使上喷气孔5-1的一部分露在活塞4的上表面外；活塞4运动到气缸1的最下端时，每个导气管5的下喷气孔5-2的一部分露在活塞4的下表面外。

所述电磁式活塞驱动总成6的结构与现有动圈式扬声器的电磁驱动结构相同。所述导气储热体5-3为开有多个垂直通孔的金属体。所述气体介质(e)选用无水空气、氦气或氢气。所述气体介质e加压的压强为1个大气压强～200个大气压强。所述活塞式动子a-2外表面、气缸式定子a-1的内圆表面有绝热层；气缸1、活塞4、每个导气管5的材质为绝热材料。

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式在具体实施方式一的基础上增加有第一传热装置f、第二传热装置f-1；所述第一传热装置f、第二传热装置f-1都由多根导热管并联组成；热源f-2通过第一传热装置f与上端盖2导热连接；下端盖3通过第二传热装置f-1与散热器f-3导热连接。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。本实施方式能将热能方便高效快速的进行传递到，使热量传递损失降到最小。

所述导热管选用金属粉末烧结在管内壁上形式的相变热管、轴向槽道(钩槽)式相变热管或紧贴管内壁的单/多层网芯式相变热管。

工作原理：本装置的部分工作原理与斯特林发动机工作原理相同。

热源f-2的热能通过第一传热装置f传递到上端盖2上，控制电路d控制电磁式活塞驱动总成6驱动活塞4快速运动到下端，将气体介质e通过多个导气管5的下喷气孔5-2、导气储热体5-3、上喷气孔5-1挤压到气缸1的上端部，同时因上喷气孔5-1的导向作用，其从上喷气孔5-1喷射出的气体介质e都喷射在上端盖2上的导热翅片2-1上，使气体介质e迅速被加热而膨胀，并通过气缸1的上端通槽1-1、导气端口1-2、气缸式定子a-1的左空腔推动活塞式动子a-2向右快速运动，当活塞式动子a-2运动到最右端时，控制电路d控制电磁式活塞驱动总成6驱动活塞4快速运动到上端，使气缸1的上端部气体介质e通过多个导气管5的上喷气孔5-1、导气储热体5-3、下喷气孔5-2挤压到气缸1的下端部，同时因下喷气孔5-2的导向作用，其从下喷气孔5-2喷射出的气体介质e都喷射在下端盖3上的导热翅片3-1上，其热能通过下端盖3、第二传热装置f-1快速高效的传递到散热器f-3上，使气体介质e迅速被降温而收缩，同时气缸式定子a-1的左空腔中的气体介质e将通过导气端口1-2、气缸1的上端通槽1-1、活塞4的多个水平通孔4-2、每个导气管5上端的上喷气孔5-1、导气储热体5-3、下喷气孔5-2喷射到下端盖3上的导热翅片3-1上，使所有气体介质e降温收缩，同时使所有气体介质e的部分热能存储在导气储热体5-3中，如此反复运动，使热能快速的转换成活塞式动子a-2的机械运动，活塞式动子a-2相对气缸式定子a-1运动时，使气缸式定子a-1上的绕组a-1-1的磁通量突变、磁场方向改变而产生电动势；第二倒气总成c与第一倒气总成b工作原理相同，只是顺序相反；本装置省去了机械传动部分，而能有效的降低机械传递损耗。

热管的导热速度非常快、效率高，它是应用汽化/液化的潜热传输热能；其在额定传热功率内，热源到被加热点之间的温差不会大于2℃，而能将热源的热能以微小的热损失快速进行传递。

第一倒气总成b的活塞4、第二倒气总成c的活塞相位都相对超前活塞式动子a-2相位5度～90度。

本装置的气体介质e是工作在与外界完全隔离的环境中的，其活塞式动子a-2所承受的只是对外做功时的压强差值，所以能对气体介质e进行加压，而不必过多担心其耐压气密性的问题，进而能实现大的功率/重量比，即减小发动机的体积和重量同时，能输出更大的功率。能对低品质的热源进行转换，如100℃以下的热源转换。

Claims (9)

1.将热能转换成电能的装置，其特征在于它包括活塞式直线发电机总成(a)、第一倒气总成(b)、第二倒气总成(c)、控制电路(d)、气体介质(e)；

所述活塞式直线发电机总成(a)由气缸式定子(a-1)、活塞式动子(a-2)组成；活塞式动子(a-2)内设置有多个永磁体(a-2-1)，气缸式定子(a-1)上设置有绕组(a-1-1)；气缸式定子(a-1)的内圆面在填加绝缘非导磁性材料后形成封闭圆形气缸腔，活塞式动子(a-2)设置在气缸式定子(a-1)的封闭圆形气缸腔中，活塞式动子(a-2)与气缸式定子(a-1)之间为密封滑动配合连接，在活塞式动子(a-2)相对气缸式定子(a-1)运动时，使气缸式定子(a-1)上的绕组(a-1-1)的磁通量突变、磁场方向改变而产生电动势；第一倒气总成(b)为气缸(1)中设置有上下移动的活塞(4)，使气体介质(e)在气缸(1)的上端部与下端部之间相互倒换，其上端盖(2)为加热端、下端盖(3)为降温端；第一倒气总成(b)的电磁式活塞驱动总成(6)的上下运动出力端(6-1)穿过下端盖(3)的中心通孔(3-2)后与活塞(4)下端相连接；第二倒气总成(c)的组成和连接关系与第一倒气总成(b)相同；第一倒气总成(b)的导气端口(1-2)与气缸式定子(a-1)的左导气端口(a-1-2)相连通，而形成封闭空腔，封闭空腔内设置有气体介质(e)；第二倒气总成(c)的导气端口与气缸式定子(a-1)的右导气端口(a-1-3)相连通，而形成封闭空腔，封闭空腔内设置有气体介质(e)；控制电路(d)的多个位置检测探头都设置在活塞式直线发电机总成(a)中，用于检测活塞式动子(a-2)的相对气缸式定子(a-1)的位置；控制电路(d)的两个驱动输出端分别连接第一倒气总成(b)中电磁式活塞驱动总成(6)的输入端和第二倒气总成(c)中电磁式活塞驱动总成的输入端。

2.根据权利要求1所述的将热能转换成电能的装置，其特征在于所述第一倒气总成(b)具体包含气缸(1)、上端盖(2)、下端盖(3)、活塞(4)、多个导气管(5)、电磁式活塞驱动总成(6)；

活塞(4)的上表面与下表面之间开有多个垂直通孔(4-1)，每个垂直通孔(4-1)的内表面中部处到活塞(4)的外圆面之间都开有水平通孔(4-2)，活塞(4)与气缸1)密封滑动连接，气缸(1)上端内侧圆周面上开有一圈通槽(1-1)并与 导气端口(1-2)连通；每个导气管(5)内中部都设置有导气储热体(5-3)；每个导气管(5)上端都开有一个或多个上喷气孔(5-1)，每个导气管(5)下端都开有一个或多个下喷气孔(5-2)，每个垂直通孔(4-1)中都穿有一个导气管(5)，每个导气管(5)都与活塞(4)密封滑动连接，每个导气管(5)的两端分别连接在上端盖(2)的下端面和下端盖(3)的上端面上，在每个导气管(5)与上端盖(2)的下端面的连接处周围都开槽并镶嵌多片导热翅片(2-1)，每个导气管(5)的上喷气孔(5-1)喷出气体的方向都指向其相邻最近的导热翅片(2-1)；在每个导气管(5)与下端盖(3)的上端面的连接处周围都开槽并镶嵌多片导热翅片(3-1)，每个导气管(5)的下喷气孔(5-2)喷出气体的方向都指向其相邻最近的导热翅片(3-1)；上端盖(2)的下端边缘处与气缸(1)的上端密封连接，下端盖(3)的上端边缘处与气缸(1)的下端密封连接；电磁式活塞驱动总成(6)的上下运动出力端(6-1)穿过下端盖(3)的中心通孔(3-2)后与活塞(4)下端相连接；电磁式活塞驱动总成(6)的外壳与下端盖(3)的中心通孔(3-2)的边缘密封连接；活塞(4)运动到气缸(1)的最上端时，气缸(1)上的一圈通槽(1-1)、活塞(4)的多个水平通孔(4-2)、每个导气管(5)上端的上喷气孔(5-1)之间互相导气连通，并使上喷气孔(5-1)的一部分露在活塞(4)的上表面外；活塞(4)运动到气缸(1)的最下端时，每个导气管(5)的下喷气孔(5-2)的一部分露在活塞(4)的下表面外。

3.根据权利要求1所述的将热能转换成电能的装置，其特征在于它增加有第一传热装置(f)、第二传热装置(f-1)；所述第一传热装置(f)、第二传热装置(f-1)都由多根导热管并联组成；热源(f-2)通过第一传热装置(f)与上端盖(2)导热连接；下端盖(3)通过第二传热装置(f-1)与散热器(f-3)导热连接。

4.根据权利要求2所述的将热能转换成电能的装置，其特征在于所述导气储热体(5-3)为开有多个垂直通孔的金属体。

5.根据权利要求1或2所述的将热能转换成电能的装置，其特征在于所述气体介质(e)选用无水空气、氦气或氢气。

6.根据权利要求3所述的将热能转换成电能的装置，其特征在于所述导热管选用金属粉末烧结在管内壁上形式的相变热管、轴向槽道式相变热管或紧贴管内壁的单/多层网芯式相变热管。 

7.根据权利要求1所述的将热能转换成电能的装置，其特征在于所述气体介质(e)加压的压强为1个大气压强～200个大气压强。

8.根据权利要求1或2所述的将热能转换成电能的装置，其特征在于所述活塞式动子(a-2)外表面、气缸式定子(a-1)的内圆表面有绝热层；气缸(1)、活塞(4)、每个导气管(5)的材质为绝热材料。

9.根据权利要求1或2所述的将热能转换成电能的装置，其特征在于所述气体介质(e)选用氦气。 

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