CN103603745B - 液体活塞热气机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液体活塞热气机，包括冷气液缸和热气液缸，所述冷气液缸经气体工质连通管道与所述热气液缸连通，在所述冷气液缸上设冷却器，在所述热气液缸上设加热器；所述冷气液缸上设冷液体工质往复口，所述热气液缸上设热液体工质往复口，在所述冷液体工质往复口和所述热液体工质往复口之间的连通通道上设往复动力机构。本发明不仅省略了发动机的活塞曲柄连杆机构，可制造效率高、体积小、重量轻的大功率热气机，而且热气机的冷气液缸和热气液缸内的液体可以往复对所述液压动力机构做功，提高了热气机的工作效率。

Description

液体活塞热气机

技术领域

本发明涉及热能与动力领域，尤其是一种液体活塞热气机。

背景技术

目前，活塞式热气机中最重要的部件就是活塞和热交换器，活塞的功能是密封与传力，即活塞要尽可能地使高压气体工质不泄漏，并且将高压气体工质的压力传递出去。传统活塞式热气机的活塞都是具有某种几何形状的固体构件，为此，由于加工误差、受力形变、冷热变形以及磨损等问题，活塞式热气机的活塞与配合件（缸套等）的密封问题，特别是转子发动机的活塞与配合件（转子发动机的壳体）的密封问题，一直是影响发动机效率和寿命的关键问题之一。不仅如此，传统活塞式热气机的活塞传力都是由曲柄连杆机构完成的，而曲柄连杆机构的体积和重量都十分庞大，影响发动机的整体质量、效率和制造成本。所以，急需发明一种能够不受密封壳体（例如缸套）形状及其加工误差、不受受力形变、冷热变形以及磨损等问题的影响，且具有良好密封功能和传力功能、能省略曲柄连杆机构的，利用新型活塞、高效加热和冷却的热交换器以及摆脱曲柄连杆机构运动规律限制的，可以灵活控制活塞运动规律实现斯特林循环模式和卡诺循环模式的热气机。

传统活塞式热气机从根本上讲是设在封闭壳体内的固体活塞在气体工质的作用下发生直线运动、旋转或摆动，固体活塞把自身运动传递出去对外做功的机构。由于密封壳体（例如缸套等）和固体活塞均是固体结构件，两者均不可避免地存在加工误差、受力形变、冷热变形以及磨损等问题，如果从逻辑上、数学上和几何学上仔细分析这一机构的特点，可以得出这样的结论：传统活塞式热气机的固体活塞与密封壳体的全方位彻底密封是永远无法解决的。传统热气机是以斯特林发动机为代表的，斯特林发动机受曲柄连杆机构运动规律的限制，很难实现真正意义上的斯特林循环，更不可能用一台热气机有选择的实现斯特林循环和卡诺循环。不仅如此，斯特林发动机的加热效率和冷却效率十分有限，因此，很难做成大型斯特林发动机。而且现有的液体活塞热气机中热气液缸和冷气液缸分别对液体动力机构做功，不能往复对一个液体动力机构做功。

发明内容

为了解决现有的液体活塞热气机中热气液缸和冷气液缸不能往复对一个液体动力机构做功的技术问题，本发明提出的技术方案如下：

一种液体活塞热气机，包括冷气液缸和热气液缸，所述冷气液缸经气体工质连通管道与所述热气液缸连通，在所述冷气液缸上设冷却器，在所述热气液缸上设加热器；

所述冷气液缸上设冷液体工质往复口，所述热气液缸上设热液体工质往复口，在所述冷液体工质往复口和所述热液体工质往复口之间的连通通道上设往复动力机构。

所述往复动力机构包括液压动力机构、冷液体工质回送系统、热液体工质回送系统、热液体直流通道和冷液体直流通道；

所述冷液体工质回送系统与所述热液体直流通道并列设置在所述热气液缸与所述液压动力机构的连通通道上；

所述热液体工质回送系统与所述冷液体直流通道并列设置在所述冷气液缸与所述液压动力机构的连通通道上；

所述冷液体工质回送系统、所述热液体工质回送系统和所述液压动力机构受过程控制机构控制。

所述往复动力机构包括液压动力机构、液体回送系统，所述液压动力机构与所述液体回送系统连通，所述液压动力机构和所述液体回送系统受过程控制机构控制。

在所述气体工质连通管道上设回热器。

所述加热器的热源设为低品位热源。

在所述冷气液缸内设气液隔离板，所述气液隔离板将所述冷气液缸内的冷液体工质和冷气体工质隔离，所述气液隔离板与所述冷气液缸密封滑动配合。

在所述热气液缸内设气液隔离板，所述气液隔离板将所述热气液缸内的热液体工质和热气体工质隔离，所述气液隔离板与所述热气液缸密封滑动配合。

在所述气体工质连通管道上设气体工质控制阀；所述气体工质控制阀受所述过程控制机构控制。

所述气体工质连通管道设为气液混合式气体工质连通管道。

本发明中，所谓的往复动力机构是指可将不同流向的液体的动能转化为动力的装置，例如，齿轮马达。

本发明中，所谓的“所述冷液体工质回送系统与所述热液体直流通道并列设置在所述热气液缸与所述液压动力机构的连通通道上；所述热液体工质回送系统与所述冷液体直流通道并列设置在所述冷气液缸与所述液压动力机构的连通通道上”是指所述冷气液缸经所述冷液体工质往复口分别与所述液压动力机构的工质入口和工质出口连通，所述热气液缸经所述热液体工质往复口分别与所述液压动力机构的工质入口和工质出口连通，所述冷液体工质回送系统与所述热液体直流通道并列设置在所述热气液缸与所述液压动力机构的连通通道上；所述热液体工质回送系统与所述冷液体直流通道并列设置在所述冷气液缸与所述液压动力机构的连通通道上。

本发明中，所述冷液体工质回送系统和所述热液体工质回送系统均包括储液槽、泵和阀门。

本发明中，所述冷气液缸内的所述冷液体工质的作用与传统活塞式发动机中的活塞的密封和传力作用相同，所述冷气液缸内的所述冷气体工质和所述冷液体工质的相互作用关系与传统活塞式发动机中的气态工质和活塞的作用关系相同，在一个工作循环的某一过程中所述冷气体工质对所述冷液体工质施压迫使所述冷液体工质推动所述液压动力机构对外做功，此时所述冷液体工质进入所述冷液体工质回送系统，在所述过程控制机构的作用下，所述冷液体工质被回送到热气液缸，与此同时所述冷气体工质进入所述热气液缸，在一个工作循环的另一过程中，所述热气体工质迫使所述热液体工质对所述液压动力机构做功，随后所述热液体工质进入所述热液体工质回送系统，在所述过程控制机构的作用下，所述热液体工质被回送到冷气液缸，此时一个循环往复完成，在往复的过程中，所述冷液体工质和所述热液体工质均对所述液压动力机构做功；

本发明中，所述液压动力机构、所述冷液体工质回送系统和所述热液体工质回送系统受所述过程控制机构控制实现设定的循环模式。

本发明所公开的所述液体活塞热气机在压缩冲程完了时的工质压力大于等于3.5MPa、4MPa、4.5MPa、5MPa、5.5MPa、6MPa、6.5MPa、7MPa、7.5MPa、8MPa、8.5MPa、9MPa、9.5MPa、10MPa、10.5MPa、11MPa、11.5MPa、12MPa、12.5MPa、13MPa、13.5MPa、14MPa、14.5MPa、15MPa、15.5MPa、16MPa、16.5MPa、17MPa、17.5MPa、18MPa、18.5MPa、19MPa、19.5MPa、20MPa、25MPa、30MPa、35MPa、40MPa、45MPa、50MPa、55MPa或大于等于60MPa。

本发明所公开的所述液体活塞热气机的原理是在所述过程控制机构的控制下，利用两气液缸内的液体工质的数量发生变化来实现对气体工质的压缩、膨胀和移动，从而实现从加热器吸热向冷却器排热，并使所述液体工质通过液压动力机构对外输出动力，达到设定的循环模式。

本发明中的所谓液压动力机构是指一切可以利用液体压力产生动力同时具备利用动力产生液体泵效应的系统，如液压马达、液压缸等，在所述液压动力机构的动力轴上可设蓄能飞轮。本发明所公开的所述液体活塞热气机充分利用了所述液压动力机构的优势取代了固体活塞曲柄连杆机构，可以大幅度提高发动机的效率，大幅度降低热气机的体积和质量。

本发明中，所谓的“工作循环的某一过程”可以是传统意义上所说的发动机冲程，也可以是指工作循环中的某一阶段。

本发明中，所谓的液体工质是指一切可以用于推动液压动力机构的液体，如水、油、液压油、液体二氧化碳、液氮、液氦等；所谓气体工质是指可以由加热器吸收热量并在循环过程中不发生或至少不全部发生相变的气体。所谓气体工质和所谓液体工质可以是同一种的物质的两种不同状态，也可以是不同物质。所述冷液体工质是指进出所述冷气液缸的液体工质，所述热液体工质是指进出所述热气液缸的液体工质，所述冷液体工质和所述热液体工质可以是同一种液体，也可以是不同种液体，当所述冷液体工质和所述热液体工质是同一种液体时，两液体可共用液压动力机构和液体工质回送系统，在这种结构中，根据液压领域公知技术，在必要的地方设泵、阀、储液罐、蓄能罐和传感器等。本发明中的所述冷气体工质和所述热气体工质是处于两个不同气液缸内同一种物质，其温度、压力可相同，也可不同。

本发明所公开的所述液体活塞热气机，所谓气体工质处于完全密封状态，因此可以使所述气体工质在非工作状态下仍然处于高压状态，故可以使用优质气体工质，如氦气等。

本发明中，可根据液压领域的公知技术，在适当的位置设其他控制阀、蓄能储罐、泵、传感器等必要装置。

在本发明中，可以在所述气液隔离板上设隔热层或将所述气液隔离板自身设为由绝热材料制成。

本发明，可选择性的在所述液体工质在进入所述液压动力机构之前和/或流出所述液压动力机构之后设排热器（所述排热器可以是散热器，也可以是热交换器）。

当本发明所公开的所述液体活塞热气机用于车辆时，可以省略变速箱和制动系统，其速度控制通过电脑控制相应的阀来实现车辆的行驶、刹车、加减速及负荷响应。

本发明所公开的所述液体活塞热气机，可以实现无级变速。通过调整进入所述液压动力机构的液体流量，可以实现速度的变化，甚至实现无级变速。

本发明，可选择性地在所述液压动力机构的液体工质出口设蓄能罐，并设旁通，实现刹车蓄能，实现对刹车能量的回收。

本发明可以实现独立两驱，或独立四驱，实现车辆原地转圈、转向。可以实现左右轮系向相反的方向转动，使车辆原地调头。

本发明中，应根据热能与动力领域的公知技术，在必要的地方设置必要的部件、单元或系统。

本发明的有益效果如下:

本发明不仅省略了发动机的活塞曲柄连杆机构，可制造效率高、体积小、重量轻的大功率热气机；而且热气机的所述冷气液缸和所述热气液缸内的液体可以往复对所述液压动力机构做功，提高了热气机的工作效率。

附图说明

图1所示的是本发明实施例1的结构示意图；

图2所示的是本发明实施例2的结构示意图；

图3所示的是本发明实施例3的结构示意图；

图4所示的是本发明实施例4的结构示意图；

图5所示的是本发明实施例5的结构示意图；

图6所示的是本发明实施例6的结构示意图；

图7所示的是本发明实施例7的结构示意图；

图8所示的是本发明实施例8的结构示意图；

图9所示的是本发明实施例9的结构示意图，

图中：1冷气液缸、2液压动力机构、3冷液体工质回送系统、4冷液体工质往复口、5往复动力机构、6冷液体工质、7冷气体工质、8冷却器、9加热器、10回热器、12气体工质控制阀、31气液隔离板、33过程控制机构、90低品位热源、111气体工质连通管道、1001热气液缸、2001/2001′液压动力机构入口、2002/2002′液压动力机构出口、3001热液体工质回送系统、3003热液体直流通道、3004冷液体直流通道、4001冷液体工质往复口、6001热液体工质、7001热气体工质、1110气液混合式气体工质连通管道。

具体实施方式

实施例1

如图1所示的液体活塞热气机，包括冷气液缸1和热气液缸1001，所述冷气液缸1经气体工质连通管道111与所述热气液缸1001连通，在所述冷气液缸1上设冷却器8，在所述热气液缸1001上设加热器9；所述冷气液缸1上设冷液体工质往复口4，所述热气液缸1001上设热液体工质往复口4001，在所述冷液体工质往复口4和所述热液体工质往复口4001之间的连通通道上设往复动力机构5。

实施例2

如图2所示的液体活塞热气机，其在实施例1的基础上，将所述往复动力机构5设为包括液压动力机构2、冷液体工质回送系统3、热液体工质回送系统3001、热液体直流通道3003和冷液体直流通道3004；

所述冷气液缸经所述冷液体工质往复口分别与所述液压动力机构的工质入口和工质出口连通，所述热气液缸经所述热液体工质往复口分别与所述液压动力机构的工质入口和工质出口连通。

所述冷液体工质回送系统3与所述热液体直流通道3003并列设置在所述热气液缸1001与所述液压动力机构2的连通通道上；

所述热液体工质回送系统3001与所述冷液体直流通道3004并列设置在所述冷气液缸1与所述液压动力机构2的连通通道上。

本实施例中，为了控制流体的流动方向，在所述冷液体工质往复口4与所述液压动力机构2的工质入口之间的连通通道上设允许工质流向所述液压动力机构2的工质入口的单向阀，在所述热液体工质往复口4001与所述液压动力机构2的工质入口之间的连通通道上设允许工质流向所述液压动力机构2的工质入口的单向阀，在所述冷液体工质往复口4与所述液压动力机构2的工质出口之间的连通通道上设允许工质流向所述冷液体工质往复口4的单向阀，在所述热液体工质往复口4001与所述液压动力机构2的工质出口之间的连通通道上设允许工质流向所述热液体工质往复口4001的单向阀，在所述冷液体直流通道3004和所述热液体直流通道3003上分别设置允许工质流向所述液压动力机构2的工质入口的单向阀。作为可以变换的实施方式，还可以通过其他方式控制流体的流动方向，比如设置控制阀。

所述冷气液缸1内的冷液体工质6的作用与传统活塞式发动机中的活塞的密封和传力作用相同，所述冷气液缸1内的冷气体工质7和所述冷液体工质6的相互作用关系与传统活塞式发动机中的气态工质和活塞的作用关系相同，在一个工作循环的某一过程中，所述冷气体工质7对所述冷液体工质6施压迫使所述冷液体工质6推动所述液压动力机构2对外做功，此时所述热液体工质回送系统3001处于关闭状态，随之所述冷液体工质6经液压动力出口2002进入所述冷液体工质回送系统3，在所述过程控制机构33的作用下，所述冷液体工质6被回送到所述热气液缸1001，在一个工作循环的另一过程中，所述热气体工质7001迫使热液体工质6001对所述液压动力机构2做功，此时所述冷液体工质回送系统3处于关闭状态，随后热液体工质6001经液压动力出口2002′进入所述热液体工质回送系统3001，在所述过程控制机构33的作用下，所述热液体工质6001被回送到所述冷气液缸1，此时一个循环完成，在循环的过程中，所述冷液体工质6和所述热液体工质6001均对所述液压动力机构2做功；

所述液压动力机构2、所述冷液体工质回送系统3和所述热液体工质回送系统3001受所述过程控制机构33控制实现设定的往复模式，其中，所述液体活塞热气机中的液体工质设为水，气体工质则是指由水受热发生相变而产生的气体（水蒸气），选择性地，所述液体工质还可设为油、液压油、液体二氧化碳、液氮、液氦等，所述气体工质可以和所述液体工质是同一种物质，也可以是不同种物质。

实施例3

如图3所示的液体活塞热气机，其在实施例1的基础上，将所述往复动力机构5设为包括液压动力机构2、液体回送系统30，所述液压动力机构2与所述液体回送系统30连通，所述液压动力机构2和所述液体回送系统30受过程控制机构33控制。

本发明中的所有实施方式，均可参照本实施例，将所述往复动力机构5设为包括液压动力机构2、回送系统30。

本实施例中，所述液体回送系统30包括储液槽、泵和阀门，所述储液槽分别经泵、阀门与所述冷液体工质往复口4和热液体工质往复口4001连通。

实施例4

如图4所示的液体活塞热气机，其在实施例2的基础上，在所述气体工质连通管道111上增设回热器10。

本发明中的所有实施方式，均可参照本实施例，在所述气体工质连通管111上设回热器10。

实施例5

如图5所示的液体活塞热气机，其在实施例2的基础上，将所述加热器9的热源设为低品位热源90。

本发明的所有实施方式中，均可参照本实施例，将所述加热器9的热源设为所述低品位热源90。

实施例6

如图6所示的液体活塞热气机，其与实施例2的区别是：

所述冷气液缸1和所述热气液缸1001对置布置，在所述冷气液缸1内设气液隔离板31，所述气液隔离板31将所述冷气液缸3内的所述冷液体工质6和所述冷气体工质7隔离，所述气液隔离板31与所述冷气液缸密封滑动配合；在所述热气液缸1001内设气液隔离板31，所述气液隔离板31将所述热气液缸1001内的所述热液体工质6001和所述热气体工质7001隔离，所述气液隔离板31与所述热气液缸1001密封滑动配合，所述气液隔离板31均由绝热材料制成；在所述气体工质连通管道111上设气体工质控制阀12；所述气体工质控制阀12受所述过程控制机构33控制。

本发明中的所有实施方式，均可参照本实施例，在所述冷气液缸1内设气液隔离板或/和在所述热气液缸1001内设气液隔离板31。

本发明中的所有实施方式，均可参照本实施例，所述冷气液缸1和所述热气液缸1001对置布置。

实施例7

如图7所示的液体活塞热气机，其在实施例2的基础上，在所述气体工质连通管道111上设气体工质控制阀12；所述气体工质控制阀12受所述过程控制机构33控制。

本发明中的所有实施方式，均可参照本实施例，将所述冷气液缸1与所述热气液缸1001并列布置。

实施例8

如图8所示的液体活塞热气机，其与实施例1的区别是：

所述气体工质连通管道111设为气液混合式气体工质连通管道1110，以增加气体工质和液体工质之间的传热效率，在所述气液混合式气体工质连通管道1110上设气体工质控制阀12。

所述气体工质控制阀12、所述液压动力机构2和所述冷液体工质回送系统3和热液体工质回送系统3001受过程控制机构33控制实现设定的循环模式。

作为可以变换的实施方式，所述气体工质控制阀12可以不设。

本发明中的所有实施方式，均可参照本实施例，将所述气体工质连通管道111设为气液混合式气体工质连通管道1110。

实施例9

如图9所示的液体活塞热气机，其与实施例2的区别是：

所述冷却器8直插入所述冷气液缸1内，所述加热器9直插入所述热气液缸1001内，以提高加热与冷却的效率。

显然，本发明不限于以上实施例，根据本领域的公知技术和本发明所公开的技术方案，可以推导出或联想出许多变型方案，所有这些变型方案，也应认为是本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种液体活塞热气机，包括冷气液缸（1）和热气液缸（1001），其特征在于：所述冷气液缸（1）经气体工质连通管道（111）与所述热气液缸（1001）连通，在所述冷气液缸（1）上设冷却器（8），在所述热气液缸（1001）上设加热器（9）；

所述冷气液缸（1）上设冷液体工质往复口（4），所述热气液缸（1001）上设热液体工质往复口（4001），在所述冷液体工质往复口（4）和所述热液体工质往复口（4001）之间的连通通道上设往复动力机构（5）。

2.如权利要求1所述液体活塞热气机，其特征在于：所述往复动力机构（5）包括液压动力机构（2）、冷液体工质回送系统（3）、热液体工质回送系统（3001）、热液体直流通道（3003）和冷液体直流通道（3004）；

所述冷液体工质回送系统（3）与所述热液体直流通道（3003）并列设置在所述热气液缸（1001）与所述液压动力机构（2）的连通通道上；

所述热液体工质回送系统（3001）与所述冷液体直流通道（3004）并列设置在所述冷气液缸（1）与所述液压动力机构（2）的连通通道上；

所述冷液体工质回送系统（3）、所述热液体工质回送系统（3001）和所述液压动力机构（2）受过程控制机构（33）控制。

3.如权利要求1所述液体活塞热气机，其特征在于：所述往复动力机构（5）包括液压动力机构（2）、液体回送系统（30），所述液压动力机构（2）与所述液体回送系统（30）连通，所述液压动力机构（2）和所述液体回送系统（30）受过程控制机构（33）控制。

4.如权利要求1至3中任一项所述液体活塞热气机，其特征在于：在所述气体工质连通管道（111）上设回热器（10）。

5.如权利要求1至3中任一项所述液体活塞热气机，其特征在于：所述加热器（9）的热源设为低品位热源（90）。

6.如权利要求1至3中任一项所述液体活塞热气机，其特征在于：在所述冷气液缸（1）内设气液隔离板（31），所述气液隔离板（31）将所述冷气液缸（1）内的冷液体工质（6）和冷气体工质（7）隔离，所述气液隔离板（31）与所述冷气液缸（1）密封滑动配合。

7.如权利要求1至3中任一项所述液体活塞热气机，其特征在于：在所述热气液缸（1001）内设气液隔离板（31），所述气液隔离板（31）将所述热气液缸（1001）内的热液体工质（6001）和热气体工质（7001）隔离，所述气液隔离板（31）与所述热气液缸（1001）密封滑动配合。

8.如权利要求2或3所述液体活塞热气机，其特征在于：在所述气体工质连通管道（111）上设气体工质控制阀（12）；所述气体工质控制阀（12）受所述过程控制机构（33）控制。

9.如权利要求1至3中任一项所述液体活塞热气机，其特征在于：所述气体工质连通管道（111）设为气液混合式气体工质连通管道（1110）。