CN102265031A

CN102265031A - 一种能量元件

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Publication number: CN102265031A
Application number: CN2008801324689A
Authority: CN
Inventors: 哈坎·伊哥瓦斯特
Original assignee: EXENCOTECH AB
Current assignee: EXENCOTECH AB
Priority date: 2008-12-22
Filing date: 2008-12-22
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2028-12-22
Also published as: BRPI0823052B1; US20110252783A1; US8919117B2; JP2012513556A; EP2379884A4; BRPI0823052A2; CN102265031B; ZA201104004B; WO2010074616A1; JP5335101B2; EP2379884A1

Abstract

本发明涉及一种用于产生加压流体的能量元件（10），所述加压流体用作相变材料（PCM）由固态转化为液态时的能源。该能量元件（10）包括盛放相变材料（PCM）的外壳装置（12），设置于外壳装置（12）与相变材料（PCM）之间的隔热装置（14）。该能量元件（10）还包括处于相变材料（PCM）之中的包括多个管路装置（400）与多个圆盘装置（402,404）的热交换装置（16），每个圆盘装置（402,404）上均设有多个孔装置（500）并均围绕在管路装置（400）上。该能量元件（10）还包括各端部开口且固定在能量元件（10）上、居中设置的囊状装置（410），所述各端部之间为柔性的。每个管路装置（400）均包括传热介质。相变材料（PCM）围绕管路装置（400）与圆盘装置（402,404），并且能穿过孔装置（500）。囊状装置（410）包括液压流体，该液压流体被所述相变材料（PCM）作用，能通过囊状装置（410）的开口端部流入和流出。

Description

一种能量元件

技术领域

本发明涉及一种用于产生加压流体的能量元件，该加压流体用做相变材料（PCM）由固态转变为液态时的能源。

背景技术

专利文献US 4,079，596 A涉及一种热力发动机，或一种热泵，其使用的工作介质可进行凝固和熔化的操作。所述工作介质作为一种S/L型工作介质使用。在热力发动机中，S/L型工作介质用于循环操作，每个循环包括在第一压力下实施地高温熔化步骤和在第二压力下实施地低温凝固步骤。在热泵中，每个循环包括在第一压力下实施地高温凝固步骤和在第二压力下实施地低温熔化步骤。当使用非水介质时，第一压力和第二压力分别为相对高压和相对低压。当使用水介质时，这两种压力分别为相对低压和相对高压。由此可见热泵和热力发动机是相反的运作过程。

专利文献US 5,263,323 A涉及一种热执行器，也被称为热电容马达，其是从处于封闭容器（例如气缸）中的石蜡受热后由固体变为液体的过程中所产生的物理性张力获得能量的。这种能量能转化为驱动滑动安装在气缸内活塞的机械力，进而产生能转化为做功的液体静压。这种热执行器可应用在各种药品传送系统中，在传送系统中由执行器产生的液体静压被用来排除针筒中的物质。

专利文献GB 1,341,163 A涉及一种将热能转化为机械能的装置，其中，对一个或多个环形腔室中的液体加热，该环形腔室与另一个环形腔室相连，但其之间隔热，加热致使其中的液体体积膨胀，从而使连接在环形腔室上的驱动杆产生运动。此装置包括环形腔室9,10,2，腔室2设置在弹簧封箱6上。加热原件11,12通过汽化腔室9,10中的液体致使封箱6收缩，从而驱动杆7运动。使用原件11,12中的一个可以使杆7移动半个冲程。

专利文献US4,283,915 A涉及一种液压发电机。温度相差20℉的两路水流流经热交换水管以此来膨胀和收缩具有高热膨胀系数的工作液体，整个工作循环在工作液体的沸点以下进行。设有止回阀防止倒流，工作液体的膨胀和收缩提供了用来驱动液压马达的高压液力输出。为了提供基本稳定的液流输出，带有能消除液流脉动的液压储压器的四组热交换器可依次动作。每组均有一个四阶段的运作循环并受电路控制，四组同步运行相邻次序的阶段循环以产生一个全程基本连续稳定的液力输出。

专利文献US 5,375,983 A涉及一种系统，该系统利用了水由液态转化为固态膨胀的原理，包括一个刚性容器外壳和位于所述容器外壳内中心位置的柔性内胆。内胆中有液压流体，在内胆与容器外壳间充有水。所述液压流体因所述水的温度接近冰点而被增压。被增压的流体可被储存，根据需要利用释放内胆中液压流体的压力能来做功。

专利文献WO 89/12748 A1涉及通过惰性液体膨胀介质的热膨胀将低品质的热能转化为机械能的设备和方法，其在不高于80℃的相对低温范围内具有相对高的膨胀系数，所述介质处于再生气缸的压力管中，该压力管通过气缸中的不同温度的热介质循环来逐步加热或冷却。膨胀介质可为石蜡类物质。

以上所提供的文献公开了本技术领域中不同的解决方案，但没有提供一种关于热效率和结构强度的最理想解决方案。而且上诉文献中所提供的关于功率密度、制造效率和制造成本的解决方案不是最理想的。

发明内容

如权利要求1，解决上述问题的一种能量元件，其应用在相变材料（PCM）由固态转变为液态时产生用作能源的加压流体。这种能量元件包括盛放相变材料（PCM）的外壳装置。而且这种能量元件还包括设置于外壳装置与相变材料（PCM）之间的隔热装置。这种能量元件还包括被所述相变材料（PCM）包围、包括多个管路装置和多个圆盘装置的热交换装置，每个圆盘装置上均设有多个孔装置并均包围所述管路装置的一部分。每两个相邻的圆盘装置之间均有一段间距。这种能量元件进一步还包括各端部开口且固定在能量元件上、居中设置的柔性囊状装置，各端部之间为柔性的。每个管路装置均包括传热介质。相变材料（PCM）包围管路装置、圆盘装置，并且能穿过孔装置。囊状装置包括液压流体，该液压流体被相变材料（PCM）作用，能通过囊状装置的开口端部流入和流出。

本发明所提供的能量元件的主要优点是高热效率和结构强度的最优化。更进一步，这种能量元件能同时将热能损失和机械能损失降到最低。再进一步，本发明所提供的能量元件使有关功率密度、制造效率和制造成本的平衡达到最优。

在这里更进一步的优点在于外壳装置包括缸体装置、缸盖装置和缸底装置，其中缸盖装置包括对应每个管路装置的第一扣眼装置，并且缸底装置包括对应每个管路装置的第一扣眼装置。

此外，在这里的一个优点在于这种能量元件还包括连接到缸盖装置用于向管路装置输入传热介质的入口接口装置，和连接到缸底装置用于从管路装置排出传热介质的出口接口装置。

在这里更进一步的一个优点在于入口接口装置包括连接缸盖装置的容器装置、用于导入热的传热介质的第一连接器装置、转换导入热的传热介质开或关的阀装置、用于导入冷的传热介质的第二连接器装置和转换导入冷的传热介质开或关的阀装置，并且出口接口装置包括连接缸底装置的容器装置、用于导出热的传热介质的第一连接器装置、转换导出热的传热介质开或关的阀装置、用于导出冷的传热介质的第二连接器装置和转换导出冷的传热介质开或关的阀装置。

根据另一个实施例，本发明的优点在于入口接口装置包括与缸盖装置连接的容器装置、用于导入热的传热介质或冷的传热介质的连接器装置和用于在导入的热的传热介质或冷的传热介质之间进行转换的阀装置，并且出口接口装置包括与缸底装置连接的容器装置、用于导出热的传热介质或冷的传热介质的连接器装置和一个用于在导出的热的传热介质或冷的传热介质之间进行转换的阀装置。

更进一步地，这里所说的一个优点在于管路装置上设有多个内法兰。

这里所说的更进一步的优点在于这种能量元件还包括连接到囊状装置每个端部的第一管路装置和第二管路装置。

根据另一个实施例，本发明的一个优点在于这种能量元件还包括设有孔的居中设置的管路装置，其中管路装置的中部置于囊状装置中。

更进一步地，这里所说本发明的一个优点在于缸盖装置还包括对应管路装置的第二扣眼装置，和缸底装置还包括对应管路装置的第二扣眼装置，并且居中设置的管路装置固定至缸盖装置和缸底装置并且穿过两个第二扣眼装置。

在这里所说一个更进一步的优点在于第一扣眼装置和第二扣眼装置均是隔热的。

此外，这里所说本发明的一个优点在于入口接口装置的内壁和出口接口装置的内壁均是隔热的。

这里所说一个更进一步的优点在于传热介质是水、油或其它合适的液态介质或气态介质。

此外，这里所说本发明的一个优点在于每个能量元件均包括连接装置，该连接装置通过其居中设置的管路装置或其第一管路装置和第二管路装置串联所述能量元件。这表示着数个能量元件能相互连接，也意味小的系统和大的系统均可以设计。

这里所说的进一步的优点在于这种能量元件还包括可移动装置，该可移动装置与相变材料（PCM）相连并受所述相变材料（PCM）作用，从而产生机械能。

值得注意的是本发明内容中用到的词“包括”是指所列特征、步骤或部件的存在，并不表明排除（构成本方案的）一个或多个其它的必要特征、步骤、部件或组件的存在。

本发明的实施例将会在下面参照附图进行说明。

附图说明

图1为本发明提供的用于产生加压流体的能量元件的第一实施例的剖视图。

图2为图1中所示能量元件B-B剖面的剖视图。

图3为图1中所示C的局部放大视图。

图4为本发明提供的能量元件中热交换装置中所包括的管路装置的剖视图。

图5为本发明提供的能量元件中热交换装置中所包括的圆盘装置的侧视图。

图6为图1中所示能量元件第一实施例的入口接口装置和出口接口装置剖视图的部分。

图7为图1中所示能量元件第二实施例的入口接口装置和出口接口装置剖视图的部分。

图8为本发明提供的能量元件另一实施例示意图的部分视图。

图9为图1中所示D的局部放大视图。

具体实施方式

图1所示为用于产生加压流体的一种能量元件10第一实施例的剖视图，所述加压流体用作相变材料（PCM）由固态转化为液态时的能源。能量元件10包括盛放相变材料（PCM）的外壳装置12。能量元件10还包括设置于外壳装置12与相变材料（PCM）之间的隔热装置14（见图3）。而且这种能量元件10还包括被相变材料（PCM）包围的热交换装置16。该热交换装置16包括多个管路装置400，其中传热介质流经所述管路装置400。更进一步，所述热交换装置16还包括多个圆盘装置402,404（未在图1中示出，但在图5中示出）。

图5所示圆盘装置402,404，每个均设有多个能流通相变材料（PCM）的孔装置500。更进一步，每个圆盘装置402,404均包围管路装置400的一部分。

又如图1所示，能量元件10还包括居中设置的柔性囊状装置410。该囊状装置410以其端部固定在能量元件10上。而且所述囊状装置410端部开口并连接到第一管路装置4061和第二管路装置4062。囊状装置410包括液压流体，该液压流体被相变材料（PCM）作用，能通过囊状装置410的开口端部流入和流出。

又如图1所示，外壳装置12包括一个缸体装置421、一个缸盖装置414和一个缸底装置416。缸盖装置414包括对应每个管路装置400的第一扣眼装置418，并且缸底装置416包括对应每个管路装置400的第一扣眼装置422。更进一步又如图1所示，缸盖装置414还包括对应第一管路装置4061的第二扣眼装置420。缸底装置416还包括对应第二管路装置4062的第二扣眼装置424。

能量元件10还包括一个连接到缸盖装置414的入口接口装置426。该入口接口装置426用于向管路装置400输入传热介质。而且能量元件10还包括一个连接到缸底装置416的出口接口装置428。该出口接口装置428用于从管路装置400排出传热介质。

又如图1所示，入口接口装置426包括连接缸盖装置414的容器装置430。而且入口接口装置426还包括一个用于导入热的传热介质的第一连接器装置432和一个用于导入冷的传热介质的第二连接器装置434。又如图1所示，出口接口装置428包括连接缸底装置416的容器装置436。而且出口接口装置428还包括一个用于导出热的传热介质的第一连接器装置438和一个用于导出冷的传热介质的第二连接器装置440。

图2示出图1中所示能量元件10 B-B剖面的剖视图。从中可以看出管路装置400的分布，如图2所示，囊状装置410居中设置。

图3示出图1中所示C的局部放大视图。该视图中示出外壳装置12及隔热装置14的一部分。而且热交换装置16是以一个管路装置400连同多个圆盘装置402,404的形式示出。

图4示出本发明提供的能量元件10的热交换装置16中所包括的管路装置400的剖视图。如图中所示每个管路装置400均设有多个内法兰450。

图5示出本发明提供的能量元件10的热交换装置16中所包括的圆盘装置402,404的侧视图。如图中所示每个圆盘装置402,404均设有多个孔装置500。本图还示出A-A剖面中对应管路装置400（未示出）所设置的孔。

图6示出图1中所示能量元件10第一实施例的部分剖视图，显示第一实施例的入口接口装置426和出口接口装置428的剖视图部分。如此图所示，入口接口装置426包括容器装置430、一个第一连接器装置432和一个第二连接器装置434。更进一步，能量元件10还包括一个连接第一连接器装置432用于转换导入热的传热介质开或关的阀装置452。能量元件10还包括一个连接第二连接器装置434用于转换导入冷的传热介质开或关的阀装置454。如此图下部所示，出口接口装置428包括容器装置436、一个第一连接器装置438和一个第二连接器装置440。能量元件10还包括一个连接第一连接器装置438用于转换导出热的传热介质开或关的阀装置456。更进一步，能量元件10还包括一个连接第二连接器装置440用于转换导出冷的传热介质开或关的阀装置458。本解决方案的一个优点是阀装置设置在能量元件的附近，则热量损失会减少，进而会提高效率。本解决方案的一个小缺点是需要多个阀装置。需要指明的是阀装置452和454是同步工作的，例如，阀装置452处于打开状态时，阀装置454处于关闭状态，反过来也一样。这种情况同样适用于阀装置456和458。

图7示出本发明能量元件10的部分剖视图，显示第二实施例的入口接口装置426和出口接口装置428的剖视图部分。如此图所示，入口接口装置426包括容器装置430和一个用于导入热的传热介质或冷的传热介质的连接器装置442。能量元件10还包括一个连接连接器装置442用于在导入的热的传热介质或冷的传热介质之间进行转换的阀装置444。

如此图下部所示，出口接口装置428包括容器装置436和一个用于导出热的传热介质或冷的传热介质的连接器装置446。更进一步，能量元件10还包括一个连接连接器装置446用于在导出的热的传热介质或冷的传热介质之间进行转换的阀装置448。相比于图6所示的解决方案，本解决方案的一个优点是所需要的阀装置较少。相比于图6所示的解决方案，本解决方案的一个缺点是热量损失会提高。

图8示出本发明的能量元件第二实施例示意图的部分视图。在本实施例中能量元件10还包括一个居中设置且其上设有孔408的管路装置406。管路装置406的中部设置在囊状装置410之中，本图仅为示意图。虽在本图中未示出，但居中设置的管路装置406被同时固定在缸盖装置414和缸底装置416上，且同时穿过第二扣眼装置420,424（见图1）。管路装置406包括液压流体，该液压流体能通过孔408流入流出，所以其会或多或少地填充囊状装置410。具有管路装置406的本实施例在能量元件中的压力上升时将会减少膨胀并降低缸盖装置414和缸底装置416的压力。

图9示出图1中所示剖视图D的局部放大视图。本图示出第一管路装置4061。图中所示的是囊状装置410的上部，及其是如何固定在能量元件10上的。如本图所示，缸盖装置414分为两个不同的部分4141和4142。囊状装置410的上颈部固定在所述缸盖装置414 的两部分4141和4142之间。本图中还示出的是囊状装置410的开口是对着第一管路装置4061的。需要指出的是，虽然本图未示出，但缸底装置416、第二管路装置4062和囊状装置410之间也是相同的结构。

根据能量元件10的优选实施例，第一扣眼装置418,422和第二扣眼装置420,424为隔热的。

更进一步，根据能量元件10另一个实施例，入口接口装置426的内壁和出口接口装置428的内壁均是隔热的。

根据能量元件10的优选实施例，传热介质为水、油或其它合适的液态介质或气态介质。

此外，根据另一个实施例，每个能量元件10还包括用于通过其居中设置的管路装置406或通过其第一管路装置4061和第二管路装置4062进行依次连接能量元件10的连接装置（未示出）。

根据一个优选实施例，能量元件10还包括可移动装置（未示出），所述可移动装置与相变材料（PCM）相连并受所述相变材料（PCM）作用，从而产生机械能。

本发明能量元件10循环过程的功能描述按照压容图被分成如下的4个阶段：

压缩阶段：

1.通过第一管路装置4061或通过居中设置的管路装置406给液压流体加压使能量元件10中的压力升至工作压力。一般相变材料（PCM）在压缩阶段处于固态。为了降低加在热交换装置16中管路装置400和圆盘装置402,404上的压力和提高能量元件10的寿命，压缩可以在下述做功阶段开始时停止。这样做管路装置400和圆盘装置402,404附近的相变材料（PCM）将会熔化，从而导致摩擦力降低和更好的压力状态。

做功阶段：

2．高温传热介质（例如：水）流动，例如通过入口接口装置426流经第一连接器装置432到热交换装置16。

3. 在热交换装置16中热能从传热介质通过管路装置400和圆盘装置402,404传给相变材料（PCM）。

4. 相变材料（PCM）在高压下变为流体并且膨胀，从而向内挤压囊状装置410使囊状装置410凹陷。

5.囊状装置410在高压下的变动通过第一管路装置4061或管路装置406使囊状装置410内的液压流体流出。

解压阶段：

6.液体压力的释放是一个从高压到低压的过程，这使得相变材料（PCM）回弹，从而致使囊状装置410中的液压流体在不同压力下（从高压到低压）通过第一管路装置4061或通过管路装置406流出。

冷却阶段：

7.低温传热介质（例如：水）流动，例如通过入口接口装置426流经第二连接器装置434到热交换装置16。

8. 在热交换装置16中热能从相变材料（PCM）通过管路装置400和圆盘装置402,404传给传热介质。

9. 相变材料（PCM）变为固体并收缩，将囊状装置410向外吸拉。囊状装置410也在液压流体产生的轻微压力（约10巴）下向外膨胀。

此循环过程完成，能量元件10可进行下一个循环。

本发明不限于前述的实施例。很明显，在所附权利要求的范围内还会有很多不同的变化形式。

Claims

1.一种能量元件（10），其应用于在相变材料（PCM）由固态转变为液态时产生用作能源的加压流体，所述能量元件（10）包括盛放所述相变材料（PCM）的外壳装置（12），其特征在于所述能量元件（10）还包括设置于所述外壳装置（12）与所述相变材料（PCM）之间的隔热装置（14），和被所述相变材料（PCM）包围且包括多个管路装置（400）和多个圆盘装置（402,404）的热交换装置（16），每个圆盘装置（402,404）上均设有多个孔装置（500）并均包围所述管路装置（400）的一部分，其中每两个相邻的圆盘装置（402,404）之间有一段间距，并且所述能量元件（10）还包括居中设置的柔性囊状装置（410），所述柔性囊状装置（410）在其端部固定至所述能量元件（10）并且所述端部是开口的，所述端部之间为柔性的，其中每个所述管路装置（400）均包括传热介质，所述相变材料（PCM）包围所述管路装置（400）与所述圆盘装置（402,404），并且能穿过所述孔装置（500），其中所述囊状装置（410）包括液压流体，该液压流体能通过所述囊状装置（410）的所述开口端部流入和流出并受所述相变材料（PCM）作用。

2.根据权利要求1所述的能量元件（10），其特征在于所述外壳装置（12）包括缸体装置（421）、缸盖装置（414）和缸底装置（416），其中所述缸盖装置（414）包括对应每个管路装置（400）的第一扣眼装置（418），并且所述缸底装置（416）包括对应每个管路装置（400）的第一扣眼装置（422）。

3.根据权利要求2所述的能量元件（10），其特征在于所述能量元件（10）还包括连接到所述缸盖装置（414）用于向所述管路装置（400）输入所述传热介质的入口接口装置（426），和连接到所述缸底装置（416）用于从所述管路装置（400）排出所述传热介质的出口接口装置（428）。

4.根据权利要求3所述的能量元件（10），其特征在于所述入口接口装置（426）包括连接所述缸盖装置（414）的容器装置（430）、用于导入热的传热介质的第一连接器装置（432）、转换导入热的传热介质开或关的阀装置（452）、用于导入冷的传热介质的第二连接器装置（434）和转换导入冷的传热介质开或关的阀装置（454），并且所述出口接口装置（428）包括连接所述缸底装置（416）的容器装置（436）、用于导出热的传热介质的第一连接器装置（438）、转换导出热的传热介质开或关的阀装置（456）、用于导出冷的传热介质的第二连接器装置（440）和转换导出冷的传热介质开或关的阀装置（458）。

5.根据权利要求3所述的能量元件（10），其特征在于所述入口接口装置(426)包括与缸盖装置(414)连接的容器装置(430)、用于导入热的传热介质或冷的传热介质的连接器装置(442)和用于在导入的热的传热介质或冷的传热介质之间进行转换的阀装置(444)，并且所述出口接口装置（428）包括与所述缸底装置（416）连接的容器装置（436）、用于导出热的传热介质或冷的传热介质的连接器装置（446）和用于在导出的热的传热介质或冷的传热介质之间进行转换的阀装置（448）。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的能量元件（10），其特征在于所述管路装置（400）设有多个内法兰（450）。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的能量元件（10），其特征在于所述能量元件（10）还包括连接到所述囊状装置（410）每个端部的第一管路装置（4061）和第二管路装置（4062）。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的能量元件（10），其特征在于所述能量元件（10）还包括设有孔（408）的居中设置的管路装置（406），其中所述管路装置（406）的中部置于所述囊状装置（410）中。

9.当权利要求8从属于权利要求2时根据权利要求8所述的能量元件（10），其特征在于所述缸盖装置（414）还包括对应所述管路装置（406）的第二扣眼装置（420），所述缸底装置（416）还包括对应所述管路装置（406）的第二扣眼装置（424），并且所述居中设置的管路装置（406）固定至所述缸盖装置（414）和所述缸底装置（416）并且穿过两个所述第二扣眼装置（420,424）。

10.根据权利要求9所述的能量元件（10），其特征在于所述第一扣眼装置（418,422）和所述第二扣眼装置（420,424）均是隔热的。

11.根据权利要求3-10中任一项所述的能量元件（10），其特征在于所述入口接口装置（426）的内壁和所述出口接口装置（428）的内壁均是隔热的。

12.根据权利要求1-11中任一项所述的能量元件（10），其特征在于所述传热介质是水、油或其它合适的液态介质或气态介质。

13.根据权利要求1-12中任一项所述的能量元件（10），其特征在于每个能量元件（10）均还包括连接装置，所述连接装置通过其居中设置的管路装置（406）或其第一和第二管路装置（4061,4062）串联所述能量元件（10）。

14.根据权利要求1-13中任一项所述的能量元件（10），其特征在于所述能量元件（10）还包括可移动装置，所述可移动装置与相变材料（PCM）相连并受所述相变材料（PCM）作用，从而产生机械能。