CN103649496A - 热气发动机 - Google Patents

Abstract

热气发动机（10）包括压缩机（12）、加热室（14）、旋转容积式工作机（16）和驱动件（22）。压缩机（12）具有进口（12a）和出口（12b）。加热室（14）具有与压缩机（12）的出口（12b）流体相通的进口（14a）以及出口（14b）。工作机（16）具有与加热室（14）的出口（14b）流体相通的进口（16a）以及出口（14b）和输出轴（16a）。驱动件（22）将工作机（16）连接至压缩机（12）使得工作机（16）的运转引起压缩机（12）的运转。

Description

热气发动机

技术领域

本发明涉及用于将来自外燃、内燃、太阳能或其它来源的热量转化为机械功的热气发动机。

本发明主要开发用于将来自的各种来源的低级至中级热量转化为机械能。一个具体的有用的应用是由太阳能产生电力。但是，应认识到本发明不限于该具体应用，而是还适合运输和其它的汽车用途，包括混合动力车。

背景技术

热气发动机为人们所知。热气发动机的一个最早的实例由乔治·凯利（George Cayley）爵士于1807年提出，该热气发动机使用联接至往复活塞膨胀发动机的往复活塞压缩机。更现代版的知名热气发动机是热气涡轮发动机。

公知的热气发动机存在多种缺点，特别是当由相对较低温度的能量源驱动时，包括：低机械效率；低热效率；相对于功率输出相对较大的实际尺寸；以及相对较高的成本。

发明目的

本发明的目的是大体上克服或至少改善一个或多个上述缺点。

发明内容

因此，在第一方面，本发明提供一种热气发动机，其包括：

压缩机，具有进口和出口；

加热室，具有与压缩机的出口流体相通的进口，以及出口；

旋转容积式工作机，具有与加热室的出口流体相通的进口，以及输出轴；以及

驱动件，将工作机连接至压缩机使得工作机的运转引起压缩机的运转。

在一种形式中，旋转容积式工作机是罗茨（Roots）式鼓风机工作机。将理解的是，罗茨式鼓风机工作机是以与当作为泵或压缩机运转时的方向相反的方向运转的罗茨式鼓风机泵或压缩机。

在另一形式中，旋转容积式工作机是螺杆式工作机。将理解的是，螺杆式工作机是逆向运转的螺杆式压缩机或泵。

在另一形式中，旋转容积式工作机是改进的罗茨式鼓风机（例如伊顿（Eaton）式）或涡卷式压缩机。将理解的是，改进的罗茨式鼓风机工作机或涡卷式压缩机工作机是逆向运转的罗茨式鼓风机螺杆式压缩机或泵或涡卷式压缩机。

在一种形式中，压缩机是旋转式压缩机。在该形式的一个变体中，旋转式压缩机是双转子压缩机。该双转子压缩机优选为罗茨式鼓风机、改进的罗茨式鼓风机或螺杆式。在该形式的另一变体中，旋转式压缩机是单转子压缩机。该单转子压缩机优选为轴流式涡轮机、辐流式涡轮机、叶片式压缩机或涡卷式压缩机。

在另一形式中，压缩机是往复活塞压缩机。

工作机优选具有比压缩机容量高大约20%至50%的容量。

在一种形式中，加热室是优选由内燃或外燃加热的炉。在另一形式中，加热室由一个或多个太阳能收集器诸如太阳电池板电池板加热。

工作机优选包括出口。工作机的出口优选与压缩机的进口流体相通。

热气发动机优选在压缩机的出口与加热室的进口之间包括至少一个第一管道。热气发动机优选在加热室的出口与工作机的进口之间包括至少一个第二管道。

热气发动机优选在工作机的出口与压缩机的进口之间包括至少一个第三管道，从而允许热气发动机以闭合循环运转。

热气发动机优选在压缩机的进口的上游、在第三管道中包括余热排出热交换器。可替代地，热气发动机优选在工作机的出口与大气之间包括至少一个第三管道。热气发动机优选在至少一个第一管道的一部分与至少一个第三管道的一部分之间包括热交换器。

附图说明

现将仅以示例的方式参照附图描述本发明的优选实施方式，在附图中：

图1是热气发动机的第一实施方式的示意性剖视侧视图；

图2是热气发动机的第二实施方式的示意性剖视侧视图；

图3是热气发动机的第三实施方式的示意性剖视侧视图；

图4是热气发动机的第四实施方式的示意性剖视侧视图；

图5是热气发动机的第五实施方式的示意性剖视侧视图；

图6是热气发动机的第六实施方式的示意性剖视侧视图；以及

图7是热气发动机的第七实施方式的示意性剖视侧视图。

具体实施方式

图1示意性地示出热气发动机10的第一实施方式，热气发动机10包括罗茨（Roots）式鼓风机压缩机12、形式为炉14的加热室及罗茨式鼓风机容积工作机（working engine）16。本领域的技术人员将理解的是，罗茨式鼓风机容积工作机16是以与当作为泵或压缩机运转时的方向相反的方向运转的罗茨式鼓风机泵或压缩机。

炉14使用外燃的方法加热空气。但是内燃也能够使用。炉14增大由压缩机12提供的空气的压力和体积，然后该空气作用于工作机16。

工作机16的容量根据应用而变化。就具体的功率输出而言，对于温度较低的应用，工作机16的容量通常较大，而对于温度较高的应用（诸如汽车应用）则工作机16的容量较小。

另外，工作机容量与压缩机容量的比率根据应用变化，尤其是运转温度。例如，为了产生最大功率，在约300摄氏度运转的工作机16会具有比压缩机12的容量多约30%的容量。还例如，为了产生最大功率，在约800或1000摄氏度运转的工作机16会具有比压缩机12的容量多约50%的容量。

压缩机具有进口12a和出口12b，炉具有进口14a和出口14b，而工作机16具有进口16a和出口16b。第一管道18将出口12b连接至进口14a，而第二管道20将出口14b连接至进口16a。

工作机16包括驱动轴22，驱动轴22机械联接至压缩机12，使得工作机16的运转引起压缩机12的运转。工作机16还包括输出轴24，输出轴24例如能够连接至发电机以用于发电。

现在将描述热气发动机10的操作。首先，炉14被激活从而将其中的空气加热至约300摄氏度并导致炉14中的压力增大。热空气和热燃烧产物通过第二管道20从炉14的出口14b传递至工作机16的进口16a，从而作用于工作机16并引起其旋转。工作机16的旋转引起压缩机12中的旋转，压缩机12中的旋转导致更多空气吸入进口12a，然后空气在通过第一管道18从出口12b驱动至进口14a之前在压缩机12中压缩。

热气发动机10的优点是具有改善的热效率，因为工作机16能够在很少冷却或无冷却的情况下在相对较高的温度操作。这是因为罗茨式鼓风机工作机16具有相对较低的摩擦，需要很少或不需要润滑（并且因而具有很少的或无油冷却要求的热损耗），并且其外表面无需冷却。为压缩机12还有工作机使用罗茨式鼓风机压缩机还通过使摩擦减至最小程度而有利地改善机械效率。为压缩机12使用罗茨式鼓风机压缩机（以及其它旋转式压缩机）有利之处还在于它们能够容易地为较大的发动机变动比例，并且它们产生等级非常低的振动。

图2示意性地示出热气发动机30的第二实施方式。描述与热气发动机10相关的相同特征由相同的附图标记指示。热气发动机30的结构和操作类似于热气发动机10，除了热发动机30包括将工作机16的出口16b连接至压缩机12的进口12a的第三管道32。发动机30还包括在第一管道18的一部分与第三管道32的一部分之间的热交换器34。发动机30还包括位于第三管道32中在压缩机12的进口12a的上游的余热排出热交换器36。

热交换器34通过提高提供至炉14的空气的温度改善热效率。使用热交换器34允许热气发动机30的理论热效率由最高约28%上升至最高约72%，或者如果以功率为代价为更高的效率进行配置，热效率可以上升至更大。

余热排出热交换器36去除无法用于通过热交换器34加热提供至炉14的空气的温度的热量从而将进入压缩机12的进口12a的空气的温度降低至周围环境的温度或接近周围环境的温度。

热气发动机30以闭合循环运转。因为运转气体能够加压，所以对于给定的发动机尺寸，热气发动机30的功率有利地增大。

图3示意性地示出热气发动机50的第三实施方式。用于描述在先实施方式的特征的相同参考标号将再次用于表示相同特征。在热气发动机50中，炉14由通过进口54和出口56连接至太阳能来源诸如一个或多个太阳电池板（未示出）的热交换器52替代。如果太阳能无法使用，那么热交换器52能够通过储存的太阳热能或其他的热能来源加热。

另外，第一管道18、第二管道20和第三管道32分别用隔离材料58、60和62覆盖。这避免热损耗并改善效率。

热气发动机50将热交换器34、热交换器52和工作机16容纳在一个隔离的外壳中从而防止热损耗。热气发动机50还有利地用温度垂直梯度设置热交换器34和热交换器52。热气发动机50还包括膨胀区域，来自工作机16的加压空气能够在膨胀区域膨胀。这有利地允许将来自空气的任何动能都转化为增大的热能。

图4示意性地示出与图3中示出的热气发动机50非常类似的热气发动机70的第四实施方式。相同的特征由相同的参考标号指示。但是，在热发动机70中，压缩机的形式是辐流式涡轮机压缩机72。轴流式涡轮机压缩机也能够使用。

图5示意性地示出与图4中示出的热气发动机70非常类似的热气发动机90的第五实施方式。相同的特征由相同的参考标号指示。但是，在热发动机90中，压缩机的形式是叶片式压缩机92。轴流式涡轮机压缩机也能够使用。

图6示意性地示出与图1和图2中示出的热气发动机10和热气发动机30非常类似的热气发动机110的第六实施方式。相同的特征由相同的参考标号指示。但是，热发动机110以开式循环运转且不使用余热排出热交换器36。

图7示意性地示出与图1中示出的热气发动机10非常类似的热气发动机130的第七实施方式。相同的特征由相同的参考标号指示。但是，热发动机130使用往复活塞压缩机132。

上述热气发动机的实施方式提供了很多超过往复活塞热气发动机还有热气涡轮发动机二者的优点。当与使用联接至往复活塞膨胀发动机的往复活塞压缩机相比较时，上述实施方式提供改善的效率、更低的维修要求、更大的耐久性、以及更低的生产成本。当与燃气涡轮发动机相比较时，上述实施方式能够在中低级热量运行，能够以固体（可再生）燃料运行，具有在最大输出的改善的效率，并且当在低于最大输出运行时能够保持或提高热效率。

虽然已经参照优选的实施方式描述了本发明，但是本领域技术人员应理解，本发明能够以很多其他形式实现。

例如，在使用超过150摄氏度炉温的应用中，工作机能够为其轴承的润滑油使用冷却器，和/或能够具有外部同步齿轮或外部轴承（即，设置在工作机热区域的外部），和/或能够在转子和轴承之间具有隔离材料和/或绝热层，从而防止热量从转子渗透至轴承。隔离材料和/或绝热层还能够在轴承壳与工作机之间使用，从而防止热量从壳体渗透至轴承。这些特征还能够在炉温低于150摄氏度时使用。

在压缩机的出口处还能够使用单向阀从而阻止从工作机返回进入压缩机的逆流。

变速箱，例如连续可变型，能够安装在膨胀发动机与压缩机之间从而控制相对于工作机速度的压缩机的速度。

除了空气之外，热容比（gamma ratio）低于空气的气体（例如，氨气、二氧化碳或丁醇）也能够在闭合循环实施方式中使用从而提高效率达约15%至20%。

压缩机还可以是汪克尔（Wankel）式旋转压缩机。

Claims (22)

1.一种热气发动机，所述热气发动机包括：

压缩机，具有进口和出口；

加热室，具有与所述压缩机的出口流体相通的进口、以及出口；

旋转容积式工作机，具有与所述加热室的出口流体相通的进口、以及输出轴；以及

驱动件，将所述工作机连接至所述压缩机使得所述工作机的运转引起所述压缩机的运转。

2.如权利要求1所述的热气发动机，其中所述旋转容积式工作机是罗茨式鼓风机工作机。

3.如权利要求1所述的热气发动机，其中所述旋转式容积工作机是螺杆式工作机。

4.如权利要求1所述的热气发动机，其中所述旋转式容积工作机是改进的罗茨式鼓风机或涡卷式压缩机。

5.如所述权利要求中任一项所述的热气发动机，其中所述压缩机是旋转式压缩机。

6.如权利要求5所述的热气发动机，其中所述旋转式压缩机是双转子压缩机。

7.如权利要求6所述的热气发动机，其中所述双转子压缩机是罗茨式鼓风机、改进的罗茨式鼓风机或螺杆式。

8.如权利要求5所述的热气发动机，其中所述旋转式压缩机是单转子压缩机。

9.如权利要求8所述的热气发动机，其中所述单转子压缩机是轴流式涡轮机、辐流式涡轮机、叶片式压缩机或涡卷式压缩机。

10.如权利要求1至4中任一项所述的热气发动机，其中所述压缩机是往复活塞压缩机。

11.如所述权利要求中任一项所述的热气发动机，其中所述工作机具有比所述压缩机容量高大约20%至50%的容量。

12.如所述权利要求中任一项所述的热气发动机，其中所述加热室是炉。

13.如权利要求12所述的热气发动机，其中所述炉由内燃或外燃加热。

14.如权利要求1至11中任一项所述的热气发动机，其中所述加热室由一个或多个太阳能收集器加热。

15.如所述权利要求中任一项所述的热气发动机，其中所述工作机包括出口。

16.如权利要求15所述的热气发动机，其中所述工作机的出口与所述压缩机的进口流体相通。

17.如权利要求16所述的热气发动机，其中所述热气发动机在所述压缩机的出口与所述加热室的进口之间包括至少一个第一管道。

18.如权利要求17所述的热气发动机，其中所述热气发动机在所述加热室的出口与所述工作机的进口之间包括至少一个第二管道。

19.如权利要求18所述的热气发动机，其中所述热气发动机在所述工作机的出口与所述压缩机的进口之间包括至少一个第三管道，从而所述允许热气发动机以闭合循环运转。

20.如权利要求19所述的热气发动机，其中所述热气发动机在的第三管道中包括余热排出热交换器，位于所述压缩机的进口的上游。

21.如权利要求18所述的热气发动机，其中所述热气发动机在所述工作机的出口与大气之间包括至少一个第三管道。

22.如权利要求19、20或21所述的热气发动机，其中所述热气发动机在所述至少一个第一管道的一部分与所述至少一个第三管道的一部分之间包括热交换器。

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