CN104343578B - 超临界二氧化碳为工作介质的转子式高转速外燃热机 - Google Patents

Abstract

超临界二氧化碳为工作介质的转子式高转速外燃热机，它及的是将热能转换成机械能的技术领域。它是为了克服现有内燃机热转换效率低，燃烧不完全而向空气中排放大量的污染气体的问题，及现有斯特林发动机还存在功率/重量比小、结构复杂及密封困难而无法实现零泄漏的问题等。它的所有热泵装置的第二单向阀的出口都互相连通后，与第二管口和第三管口互相连通；所有第一单向阀的进口、连杆与缸体左端壁的滑动动密封处、转子式液动马达、第一管口、第四管口、电动机、旋转变直线往复运动装置、超临界二氧化碳、气体介质都设置在壳体内。本发明能将热能直接高效的转换成机械能。其热能/机械能的转换效率为20%~80%。

Description

超临界二氧化碳为工作介质的转子式高转速外燃热机

技术领域

本发明涉及的是将热能转换成机械能的技术领域。

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，同时因燃料不能完全燃烧，其尾气将向空气中排放大量的污染气体，使空气受到严重的污染，具统计这些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。

斯特林发动机是斯特林于1816年发明的。斯特林发动机是独特的热机，因为他们理论上的效率几乎等于理论最大效率，称为卡诺循环效率。斯特林发动机是通过气体受热膨胀、遇冷收缩而产生动力的。这是一种外燃发动机，使燃料连续地燃烧，蒸发的膨胀氢气（或氦）作为动力气体使活塞运动，膨胀气体在冷气室冷却，反复地进行这样的循环过程。由于外燃机避免了传统内燃机的震爆做功问题，从而实现了高效率、低噪音、低污染和低运行成本。

但是，斯特林发动机还有许多问题要解决，例如功率/重量比小、结构复杂及密封困难而无法实现零泄漏的问题等。所以，还不能成为大批量使用的发动机。

发明内容

本发明是为了克服现有内燃机热转换效率低（在20%～40%之间），燃烧不完全而向空气中排放大量的污染气体的问题，及现有斯特林发动机还存在功率/重量比小、结构复杂及密封困难而无法实现零泄漏的问题等。进而提出了一种超临界二氧化碳为工作介质的转子式高转速外燃热机。

超临界二氧化碳为工作介质的转子式高转速外燃热机由n个热泵装置、转子式液动马达、壳体、电动机、旋转变直线往复运动装置、超临界二氧化碳、气体介质组成；

所述n为大于零的整数；所述热泵装置由缸体、活塞、第一单向阀、第二单向阀、连杆组成；活塞的两端面上都各开有并与其内部空腔连通的通孔，活塞的内部空腔中设置有用于储热的金属网或颗粒；缸体的两端都为封闭端，缸体的右端为吸热端，缸体的左端为放热端；活塞设置在缸体内部；第一单向阀的出口与缸体的内部空腔连通；第二单向阀的进口与缸体的内部空腔连通；连杆的右端与活塞左侧端面连接，连杆的左端滑动密封穿过缸体的左端壁；所述转子式液动马达由三角转子、旋轮线-茧形壳体、输出轴组成；三角转子设置在旋轮线-茧形壳体中，三角转子的三个顶边随着旋轮线-茧形壳体内圆周的椭圆形内壁而运动，将旋轮线-茧形壳体内部空间总是分成三个工作室，同时三角转子的内圆上的内齿与旋轮线-茧形壳体轴心上输出轴上的外齿啮合，在旋轮线-茧形壳体上侧直边的左侧附近开有与其内部空间相连通的第一管口，在旋轮线-茧形壳体上侧直边的右侧附近开有与其内部空间相连通的第二管口，在旋轮线-茧形壳体下侧直边的左侧附近开有与其内部空间相连通的第三管口，在旋轮线-茧形壳体下侧直边的右侧附近开有与其内部空间相连通的第四管口；电动机的输出转轴与旋转变直线往复运动装置的转动输入端传动连接；旋转变直线往复运动装置有N个直线往复运动输出端，N=n；热泵装置的连杆的左端连接在旋转变直线往复运动装置的一个直线往复运动输出端上；所有热泵装置的第二单向阀的出口都互相连通后，与转子式液动马达的第二管口和第三管口互相连通；所有热泵装置的第一单向阀的进口、连杆与缸体左端壁的滑动密封处、转子式液动马达、第一管口、第四管口、电动机、旋转变直线往复运动装置都设置在壳体内；壳体内的中下部和所有热泵装置的内部都设置有超临界二氧化碳，并使第一管口、第四管口、所有热泵装置的第一单向阀的进口、连杆与缸体左端壁的滑动密封处都浸末在超临界二氧化碳中，壳体内超临界二氧化碳的液面上部设置有气体介质，电动机设置在超临界二氧化碳的液面上的气体介质中。

本发明能将热能直接高效的转换成机械能；因外部都为静密封，而能实现零泄漏，结构简单，进而能实现超大的功率/重量比，进一步缩小装置的体积和减小重量，实现高效节能。

所述缸体1-1的右端吸热端的加热温度为50度~100度。

其热能/机械能的转换效率为20%~80%，加热温度越高，其热转换效率越高。其总零件数为现有内燃机总零件数的20%以下。

当n个热泵装置1的总排量为转子式液动马达2排量的2~10倍时，能实现热泵装置1以小于1000转/分的条件下工作，而转子式液动马达2输出转轴为高速，其转速可大于10000转/分，使热泵装置1有较多的换热时间，能有效降低热泵装置1的结构复杂度。

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，即实现完全燃烧。

其理论上的效率几乎等于理论最大效率-卡诺循环效率。它还具有运转平稳、噪声极小、结构简单、对材料要求低、使用方便、维护费用低、使用寿命长、功率/重量比大的优点。而适合大批量的生产销售推广使用。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式由n个热泵装置1、转子式液动马达2、壳体3、电动机4、旋转变直线往复运动装置5、超临界二氧化碳6、气体介质7组成；

所述n为大于零的整数；所述热泵装置1由缸体1-1、活塞1-2、第一单向阀1-3、第二单向阀1-4、连杆1-5组成；活塞1-2的两端面上都各开有并与其内部空腔连通的通孔，活塞1-2的内部空腔中设置有用于储热的金属网或颗粒；缸体1-1的两端都为封闭端，缸体1-1的右端为吸热端，缸体1-1的左端为放热端；活塞1-2设置在缸体1-1内部；第一单向阀1-3的出口与缸体1-1的内部空腔连通；第二单向阀1-4的进口与缸体1-1的内部空腔连通；连杆1-5的右端与活塞1-2左侧端面连接，连杆1-5的左端滑动密封穿过缸体1-1的左端壁；所述转子式液动马达2由三角转子2-1、旋轮线-茧形壳体2-2、输出轴2-3组成；三角转子2-1设置在旋轮线-茧形壳体2-2中，三角转子2-1的三个顶边随着旋轮线-茧形壳体2-2内圆周的椭圆形内壁而运动，将旋轮线-茧形壳体2-2内部空间总是分成三个工作室，同时三角转子2-1的内圆上的内齿2-1-1与旋轮线-茧形壳体2-2轴心上输出轴2-3上的外齿2-3-1啮合，在旋轮线-茧形壳体2-2上侧直边的左侧附近开有与其内部空间相连通的第一管口2-4，在旋轮线-茧形壳体2-2上侧直边的右侧附近开有与其内部空间相连通的第二管口2-5，在旋轮线-茧形壳体2-2下侧直边的左侧附近开有与其内部空间相连通的第三管口2-6，在旋轮线-茧形壳体2-2下侧直边的右侧附近开有与其内部空间相连通的第四管口2-7；电动机4的输出转轴与旋转变直线往复运动装置5的转动输入端传动连接；旋转变直线往复运动装置5有N个直线往复运动输出端，N=n；热泵装置1的连杆1-5的左端连接在旋转变直线往复运动装置5的一个直线往复运动输出端上；所有热泵装置1的第二单向阀1-4的出口都互相连通后，与转子式液动马达2的第二管口2-5和第三管口2-6互相连通；所有热泵装置1的第一单向阀1-3的进口、连杆1-5与缸体1-1左端壁的滑动密封处、转子式液动马达2、第一管口2-4、第四管口2-7、电动机4、旋转变直线往复运动装置5都设置在壳体3内；壳体3内的中下部和所有热泵装置1的内部都设置有超临界二氧化碳6，并使第一管口2-4、第四管口2-7、所有热泵装置1的第一单向阀1-3的进口、连杆1-5与缸体1-1左端壁的滑动密封处都浸末在超临界二氧化碳6中，壳体3内超临界二氧化碳6的液面上部设置有气体介质7，电动机4设置在超临界二氧化碳6的液面上的气体介质7中。

所述缸体1-1的右端吸热端的加热源可选自各种燃料的燃烧、太阳热能或其它发热热源等，具体燃料可选汽油、柴油、酒精、甲醇、液化汽、天然气、煤气、煤或混合型气态、液态、固态燃料等。

所述缸体1-1的左端放热端的冷却方式可采用风冷或水冷方式降温，其温度应控制在40度以下。

所述缸体1-1的右端吸热端的加热温度为50度~100度。

所述气体介质7为空气、氮气、氦气或氢气（都应是干燥的气体）。

本装置的高温部分应处在保温绝热的壳体中，以防止热量的散失。

当n大于1时，每个热泵装置1的连杆1-5之间的直线往复运动驱动相位角度为360/n。所述转子式液动马达2的转轴输出端连接有发电机8，发电机8设置在壳体3内部，并在超临界二氧化碳6的液面上的气体介质7中。所述转子式液动马达2的转轴输出端可通过磁性联轴器将机械转动力传递到壳体3外部。

工作原理：

当电动机4通电转动工作后，电动机4通过旋转变直线往复运动装置5带动所有热泵装置1中的活塞1-2做左右直线往复运动；当活塞1-2处在缸体1-1左侧端时，活塞1-2右侧，即缸体1-1右端内的超临界二氧化碳6被加热而膨胀，使缸体1-1内多余的超临界二氧化碳6从第二单向阀1-4排出，当活塞1-2向右运动时，活塞1-2右侧的超临界二氧化碳6被排挤到活塞1-2左侧，活塞1-2左侧，即缸体1-1左端内的超临界二氧化碳6被降温而收缩，使壳体3中下部的超临界二氧化碳6通过第一单向阀1-3补充到缸体1-1内部；周而复始，所有热泵装置1的第二单向阀1-4的出口都输出有带一定压力的超临界二氧化碳6，带一定压力的超临界二氧化碳6通过转子式液动马达2的第二管口2-5和第三管口2-6输入到转子式液动马达2内部，而驱动转子式液动马达2内的三角转子2-1按一定方向转动，再通过转子式液动马达2的第一管口2-4和第四管口2-7将超临界二氧化碳6排入到壳体3中下部内，实现将热能转换成机械能。n个热泵装置1的总排量为转子式液动马达2排量的2~10倍。

Claims (5)

1.超临界二氧化碳为工作介质的转子式高转速外燃热机，其特征在于它由n个热泵装置（1）、转子式液动马达（2）、壳体（3）、电动机（4）、旋转变直线往复运动装置（5）、超临界二氧化碳（6）、气体介质（7）组成；

所述n为大于零的整数；所述热泵装置（1）由缸体（1-1）、活塞（1-2）、第一单向阀（1-3）、第二单向阀（1-4）、连杆（1-5）组成；活塞（1-2）的两端面上都各开有并与其内部空腔连通的通孔，活塞（1-2）的内部空腔中设置有用于储热的金属网或颗粒；缸体（1-1）的两端都为封闭端，缸体（1-1）的右端为吸热端，缸体（1-1）的左端为放热端；活塞（1-2）设置在缸体（1-1）内部；第一单向阀（1-3）的出口与缸体（1-1）的内部空腔连通；第二单向阀（1-4）的进口与缸体（1-1）的内部空腔连通；连杆（1-5）的右端与活塞（1-2）左侧端面连接，连杆（1-5）的左端滑动密封穿过缸体（1-1）的左端壁；所述转子式液动马达（2）由三角转子（2-1）、旋轮线-茧形壳体（2-2）、输出轴（2-3）组成；三角转子（2-1）设置在旋轮线-茧形壳体（2-2）中，三角转子（2-1）的三个顶边随着旋轮线-茧形壳体（2-2）内圆周的椭圆形内壁而运动，将旋轮线-茧形壳体（2-2）内部空间总是分成三个工作室，同时三角转子（2-1）的内圆上的内齿（2-1-1）与旋轮线-茧形壳体（2-2）轴心上输出轴（2-3）上的外齿（2-3-1）啮合，在旋轮线-茧形壳体（2-2）上侧直边的左侧附近开有与其内部空间相连通的第一管口（2-4），在旋轮线-茧形壳体（2-2）上侧直边的右侧附近开有与其内部空间相连通的第二管口（2-5），在旋轮线-茧形壳体（2-2）下侧直边的左侧附近开有与其内部空间相连通的第三管口（2-6），在旋轮线-茧形壳体（2-2）下侧直边的右侧附近开有与其内部空间相连通的第四管口（2-7）；电动机（4）的输出转轴与旋转变直线往复运动装置（5）的转动输入端传动连接；旋转变直线往复运动装置（5）有N个直线往复运动输出端，N=n；热泵装置（1）的连杆（1-5）的左端连接在旋转变直线往复运动装置（5）的一个直线往复运动输出端上；所有热泵装置（1）的第二单向阀（1-4）的出口都互相连通后，与转子式液动马达（2）的第二管口（2-5）和第三管口（2-6）互相连通；所有热泵装置（1）的第一单向阀（1-3）的进口、连杆（1-5）与缸体（1-1）左端壁的滑动密封处、转子式液动马达（2）、第一管口（2-4）、第四管口（2-7）、电动机（4）、旋转变直线往复运动装置（5）都设置在壳体（3）内；壳体（3）内的中下部和所有热泵装置（1）的内部都设置有超临界二氧化碳（6），并使第一管口（2-4）、第四管口（2-7）、所有热泵装置（1）的第一单向阀（1-3）的进口、连杆（1-5）与缸体（1-1）左端壁的滑动密封处都浸末在超临界二氧化碳（6）中，壳体（3）内超临界二氧化碳（6）的液面上部设置有气体介质（7），电动机（4）设置在超临界二氧化碳（6）的液面上的气体介质（7）中。

2.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳为工作介质的转子式高转速外燃热机，其特征在于当n大于1时，每个热泵装置（1）的连杆（1-5）之间的直线往复运动驱动相位角度为360/n。

3.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳为工作介质的转子式高转速外燃热机，其特征在于所述转子式液动马达（2）的转轴输出端连接有发电机（8），发电机（8）设置在壳体（3）内部，并在超临界二氧化碳（6）的液面上的气体介质（7）中。

4.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳为工作介质的转子式高转速外燃热机，其特征在于所述转子式液动马达（2）的转轴输出端可通过磁性联轴器将机械转动力传递到壳体（3）外部。

5.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳为工作介质的转子式高转速外燃热机，其特征在于所述n个热泵装置（1）的总排量为转子式液动马达（2）排量的2~10倍。