CN104421043B - 带外平衡阀的超临界流体单缸外驱动外燃热机发电装置 - Google Patents

带外平衡阀的超临界流体单缸外驱动外燃热机发电装置 Download PDF

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Abstract

带外平衡阀的超临界流体单缸外驱动外燃热机发电装置，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（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。它的汽缸的右侧开口端与直线往复式发电机外壳的左侧端口密封连接；缓冲汽缸的左侧开口端与直线往复式发电机外壳的右侧端口密封连接；导汽活塞设置在汽缸的左侧内部中；第一做功活塞设置在汽缸的右侧内部中，第二做功活塞设置在缓冲汽缸的左侧内部中。本发明能将热能直接高效的转换成机械能，再发电。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。

Description

带外平衡阀的超临界流体单缸外驱动外燃热机发电装置
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。进而提出了一种带外平衡阀的超临界流体单缸外驱动外燃热机发电装置。
带外平衡阀的超临界流体单缸外驱动外燃热机发电装置由气缸、缓冲气缸、导气活塞、超临界二氧化碳、第一做功活塞、第二做功活塞、第一回弹机构、第二回弹机构、直线往复式发电机组成；
由气缸、缓冲气缸、导气活塞、超临界二氧化碳、第一做功活塞、第二做功活塞、第一回弹机构、第二回弹机构、直线往复式发电机、薄膜气囊、气体介质组成；
导气活塞的内部空腔内设置有多层储热导气金属网，导气活塞的两端面上都各开有通孔与其内部空腔连通；气缸的左侧端为封闭端，右侧端为开口端；缓冲气缸的右侧端为封闭端，左侧端为开口端；气缸的右侧开口端与直线往复式发电机外壳的左侧端口密封连接；缓冲气缸的左侧开口端与直线往复式发电机外壳的右侧端口密封连接；导气活塞设置在气缸的左侧内部中，气缸的左端为吸热端，左侧中部为散热端；第一做功活塞设置在气缸的右侧内部中，导气活塞右端面上的连杆滑动密封穿过第一做功活塞后设置在直线往复式发电机的空心动子内部，第一回弹机构、第二回弹机构都设置在直线往复式发电机的空心动子的内部，第一回弹机构的一端与处在空心动子内部中的连杆转动连接，第一回弹机构的另一端与空心动子的内表面转动连接，第二回弹机构的一端与处在空心动子内部中的连杆转动连接，第二回弹机构的另一端与空心动子的内表面转动连接，第一回弹机构与第二回弹机构相对于在空心动子内部中的连杆对称设置；第一做功活塞的右侧端面与直线往复式发电机中空心动子的左侧端面连接；第二做功活塞设置在缓冲气缸的左侧内部中，第二做功活塞的左侧端面与直线往复式发电机中空心动子的右侧端面连接；气缸的轴心线、缓冲气缸的轴心线、导气活塞的轴心线、第一做功活塞的轴心线、连杆的轴心线、第二做功活塞的轴心线、直线往复式发电机中空心动子的轴心线都相互重合；缓冲气缸内空腔的中部设置有薄膜气囊，将缓冲气缸内空腔分割为左右两部分空腔，其中右侧空腔中设置有气体介质；气缸中和缓冲气缸的左侧空腔中都设置有超临界二氧化碳；并使缓冲气缸的右侧空腔中气体介质的压力与缓冲气缸的左侧空腔中超临界二氧化碳的压力在初始时相等；连杆内部设置有通道，连杆的通道的右侧端口设置在第二做功活塞的右侧端，第一做功活塞左侧内部设置有通道，第一做功活塞的通道的左侧端口设置在第一做功活塞的左侧端面上，当导气活塞处在气缸的左端时，第一做功活塞、第二做功活塞、直线往复式发电机中空心动子同步向左移动时，空心动子迫使第一回弹机构、第二回弹机构弯曲，第一回弹机构的两端转动连接处的中心连线和第二回弹机构的两端转动连接处的中心连线都与连杆的轴心线垂直时为第一回弹机构和第二回弹机构的压缩平衡点，在压缩平衡点附近时，连杆的通道的左侧端口与第一做功活塞的通道的右侧端口暂时相对连通，当过压缩平衡点后，第一回弹机构、第二回弹机构因要回弹，而通过连杆驱动导气活塞迅速向右侧移动，将导气活塞右侧端外的超临界二氧化碳排挤到导气活塞的左侧端外；当第一做功活塞、第二做功活塞、直线往复式发电机中空心动子同步向右移动时，空心动子迫使第一回弹机构、第二回弹机构弯曲，在压缩平衡点附近时，连杆的通道的左侧端口与第一做功活塞的通道的右侧端口暂时相对连通，当过压缩平衡点后，第一回弹机构、第二回弹机构因要回弹，而通过连杆驱动导气活塞迅速再向左侧移动，将导气活塞左侧端外的超临界二氧化碳排挤到导气活塞的右侧端外。
本发明能将热能直接高效的转换成机械能，再发电；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。
所述气缸左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10%以下。
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是本发明中的第一回弹机构7、第二回弹机构8为V形回弹弹簧片时的整体结构示意图；
图2是本发明中的第一回弹机构7、第二回弹机构8为磁排斥V形回弹折臂时的整体结构示意图；
图3是图2中磁排斥V形回弹折臂的放大结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1、图2、图3说明本实施方式，本实施方式由气缸1、缓冲气缸2、导气活塞3、超临界二氧化碳4、第一做功活塞5、第二做功活塞6、第一回弹机构7、第二回弹机构8、直线往复式发电机9、薄膜气囊10、气体介质11组成；
导气活塞3的内部空腔内设置有多层储热导气金属网，导气活塞3的两端面上都各开有通孔与其内部空腔连通；气缸1的左侧端为封闭端，右侧端为开口端；缓冲气缸2的右侧端为封闭端，左侧端为开口端；气缸1的右侧开口端与直线往复式发电机9外壳9-2的左侧端口密封连接；缓冲气缸2的左侧开口端与直线往复式发电机9外壳9-2的右侧端口密封连接；导气活塞3设置在气缸1的左侧内部中，气缸1的左端为吸热端，左侧中部为散热端；第一做功活塞5设置在气缸1的右侧内部中，导气活塞3右端面上的连杆5-1滑动密封穿过第一做功活塞5后设置在直线往复式发电机9的空心动子9-1内部，第一回弹机构7、第二回弹机构8都设置在直线往复式发电机9的空心动子9-1的内部，第一回弹机构7的一端与处在空心动子9-1内部中的连杆5-1转动连接，第一回弹机构7的另一端与空心动子9-1的内表面转动连接，第二回弹机构8的一端与处在空心动子9-1内部中的连杆5-1转动连接，第二回弹机构8的另一端与空心动子9-1的内表面转动连接，第一回弹机构7与第二回弹机构8相对于在空心动子9-1内部中的连杆5-1对称设置；第一做功活塞5的右侧端面与直线往复式发电机9中空心动子9-1的左侧端面连接；第二做功活塞6设置在缓冲气缸2的左侧内部中，第二做功活塞6的左侧端面与直线往复式发电机9中空心动子9-1的右侧端面连接；气缸1的轴心线、缓冲气缸2的轴心线、导气活塞3的轴心线、第一做功活塞5的轴心线、连杆5-1的轴心线、第二做功活塞6的轴心线、直线往复式发电机9中空心动子9-1的轴心线都相互重合；缓冲气缸2内空腔的中部设置有薄膜气囊10，将缓冲气缸2内空腔分割为左右两部分空腔，其中右侧空腔中设置有气体介质11；气缸1中和缓冲气缸2的左侧空腔中都设置有超临界二氧化碳4；并使缓冲气缸2的右侧空腔中气体介质11的压力与缓冲气缸2的左侧空腔中超临界二氧化碳4的压力在初始时相等；连杆5-1内部设置有通道5-3，连杆5-1的通道5-3的右侧端口设置在第二做功活塞6的右侧端，第一做功活塞5左侧内部设置有通道5-4，第一做功活塞5的通道5-4的左侧端口设置在第一做功活塞5的左侧端面上，当导气活塞3处在气缸1的左端时，第一做功活塞5、第二做功活塞6、直线往复式发电机9中空心动子9-1同步向左移动时，空心动子9-1迫使第一回弹机构7、第二回弹机构8弯曲，第一回弹机构7的两端转动连接处的中心连线和第二回弹机构8的两端转动连接处的中心连线都与连杆5-1的轴心线垂直时为第一回弹机构7和第二回弹机构8的压缩平衡点，在压缩平衡点附近时，连杆5-1的通道5-3的左侧端口与第一做功活塞5的通道5-4的右侧端口暂时相对连通，当过压缩平衡点后，第一回弹机构7、第二回弹机构8因要回弹，而通过连杆5-1驱动导气活塞3迅速向右侧移动，将导气活塞3右侧端外的超临界二氧化碳4排挤到导气活塞3的左侧端外；当第一做功活塞5、第二做功活塞6、直线往复式发电机9中空心动子9-1同步向右移动时，空心动子9-1迫使第一回弹机构7、第二回弹机构8弯曲，在压缩平衡点附近时，连杆5-1的通道5-3的左侧端口与第一做功活塞5的通道5-4的右侧端口暂时相对连通，当过压缩平衡点后，第一回弹机构7、第二回弹机构8因要回弹，而通过连杆5-1驱动导气活塞3迅速再向左侧移动，将导气活塞3左侧端外的超临界二氧化碳4排挤到导气活塞3的右侧端外。
所述第一回弹机构7、第二回弹机构8可为V形回弹弹簧片或磁排斥V形回弹折臂。
所述磁排斥V形回弹折臂由第一直臂A、第二直臂B、第一永磁片C、第二永磁片D组成；第一直臂A两端分别设置有第一转动轴孔A-1，第二直臂B两端分别设置有第二转动轴孔B-1，第一直臂A一端的第一转动轴孔A-1与第二直臂B一端的第二转动轴孔B-1转动连接，第一直臂A、第二直臂B最大张开角度小于140度，第一直臂A与第二直臂B相对内表面上分别镶嵌有第一永磁片C和第二永磁片D，第一永磁片C和第二永磁片D靠近第一转动轴孔A-1和第二转动轴孔B-1的轴心线处镶嵌，第一永磁片C与第二永磁片D相对面的磁级级性相同，使第一直臂A与第二直臂B趋向张开。
所述气缸1左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，具体燃料可选气油、柴油、酒精、甲醇、液化气、天然气、煤气、煤或混合型气态、液态、固态燃料等。
所述气缸1的散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。
所述气缸1左端吸热端的加热温度为50度~100度。
所述气体介质11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。
工作原理：
当导气活塞3处在气缸1的左端时，导气活塞3右侧端外的超临界二氧化碳4放热收缩，缓冲气缸2的右侧空腔中气体介质11有膨胀趋势，而推动第一做功活塞5、第二做功活塞6向左侧移动，第一做功活塞5、第二做功活塞6带动直线往复式发电机9中空心动子9-1同步向左移动，空心动子9-1迫使第一回弹机构7、第二回弹机构8弯曲，在压缩平衡点附近时，连杆5-1的通道5-3的左侧端口与第一做功活塞5的通道5-4的右侧端口暂时相对连通（这时其第一做功活塞5左侧系统压力正好处在等于小于第二做功活塞6右侧压力阶段，当第一做功活塞5的左侧与第二做功活塞6右侧导通后左右压力会自动平衡，使下一周的转动处于系统平衡点最优状态，因而能克服因第一做功活塞5与气缸1的滑动密封微小漏气而影响系统平衡点稳定度的问题），当过压缩平衡点后，第一回弹机构7、第二回弹机构8因要回弹，而通过连杆5-1驱动导气活塞3迅速向右侧移动，将导气活塞3右侧端外的超临界二氧化碳4排挤到第一导气活塞3的左侧端外；导气活塞3左侧端外的超临界二氧化碳4吸热膨胀，而再推动第一做功活塞5、第二做功活塞6向右侧移动，使薄膜气囊10变形，而压缩缓冲气缸2的右侧空腔中气体介质11，第一做功活塞5、第二做功活塞6带动直线往复式发电机9中空心动子9-1同步向右移动，空心动子9-1迫使第一回弹机构7、第二回弹机构8弯曲，在压缩平衡点附近时，连杆5-1的通道5-3的左侧端口与第一做功活塞5的通道5-4的右侧端口暂时相对连通，当过压缩平衡点后，第一回弹机构7、第二回弹机构8因要回弹，而通过连杆5-1驱动导气活塞3迅速再向左侧移动，将导气活塞3左侧端外的超临界二氧化碳4排挤到导气活塞3的右侧端外，周而复始带动直线往复式发电机9中空心动子9-1左右往复移动，而发电，向外输出电能。本发明的装置在逆向工作时，可为制冷机或制热机。

Claims (4)

1.带外平衡阀的超临界流体单缸外驱动外燃热机发电装置，其特征在于它由气缸(1)、缓冲气缸(2)、导气活塞(3)、超临界二氧化碳(4)、第一做功活塞(5)、第二做功活塞(6)、第一回弹机构(7)、第二回弹机构(8)、直线往复式发电机(9)、薄膜气囊(10)、气体介质(11)组成；
导气活塞(3)的内部空腔内设置有多层储热导气金属网，导气活塞(3)的两端面上都各开有通孔与其内部空腔连通；气缸(1)的左侧端为封闭端，右侧端为开口端；缓冲气缸(2)的右侧端为封闭端，左侧端为开口端；气缸(1)的右侧开口端与直线往复式发电机(9)外壳(9-2)的左侧端口密封连接；缓冲气缸(2)的左侧开口端与直线往复式发电机(9)外壳(9-2)的右侧端口密封连接；导气活塞(3)设置在气缸(1)的左侧内部中，气缸(1)的左端为吸热端，左侧中部为散热端；第一做功活塞(5)设置在气缸(1)的右侧内部中，导气活塞(3)右端面上的连杆(5-1)滑动密封穿过第一做功活塞(5)后设置在直线往复式发电机(9)的空心动子(9-1)内部，第一回弹机构(7)、第二回弹机构(8)都设置在直线往复式发电机(9)的空心动子(9-1)的内部，第一回弹机构(7)的一端与处在空心动子(9-1)内部中的连杆(5-1)转动连接，第一回弹机构(7)的另一端与空心动子(9-1)的内表面转动连接，第二回弹机构(8)的一端与处在空心动子(9-1)内部中的连杆(5-1)转动连接，第二回弹机构(8)的另一端与空心动子(9-1)的内表面转动连接，第一回弹机构(7)与第二回弹机构(8)相对于在空心动子(9-1)内部中的连杆(5-1)对称设置；第一做功活塞(5)的右侧端面与直线往复式发电机(9)中空心动子(9-1)的左侧端面连接；第二做功活塞(6)设置在缓冲气缸(2)的左侧内部中，第二做功活塞(6)的左侧端面与直线往复式发电机(9)中空心动子(9-1)的右侧端面连接；气缸(1)的轴心线、缓冲气缸(2)的轴心线、导气活塞(3)的轴心线、第一做功活塞(5)的轴心线、连杆(5-1)的轴心线、第二做功活塞(6)的轴心线、直线往复式发电机(9)中空心动子(9-1)的轴心线都相互重合；缓冲气缸(2)内空腔的中部设置有薄膜气囊(10)，将缓冲气缸(2)内空腔分割为左右两部分空腔，其中右侧空腔中设置有气体介质(11)；气缸(1)中和缓冲气缸(2)的左侧空腔中都设置有超临界二氧化碳(4)；并使缓冲气缸(2)的右侧空腔中气体介质(11)的压力与缓冲气缸(2)的左侧空腔中超临界二氧化碳(4)的压力在初始时相等；连杆(5-1)内部设置有通道(5-3)，连杆(5-1)的通道(5-3)的右侧端口设置在第二做功活塞(6)的右侧端，第一做功活塞(5)左侧内部设置有通道(5-4)，第一做功活塞(5)的通道(5-4)的左侧端口设置在第一做功活塞(5)的左侧端面上，当导气活塞(3)处在气缸(1)的左端时，第一做功活塞(5)、第二做功活塞(6)、直线往复式发电机(9)中空心动子(9-1)同步向左移动时，空心动子(9-1)迫使第一回弹机构(7)、第二回弹机构(8)弯曲，第一回弹机构(7)的两端转动连接处的中心连线和第二回弹机构(8)的两端转动连接处的中心连线都与连杆(5-1)的轴心线垂直时为第一回弹机构(7)和第二回弹机构(8)的压缩平衡点，在压缩平衡点附近时，连杆(5-1)的通道(5-3)的左侧端口与第一做功活塞(5)的通道(5-4)的右侧端口暂时相对连通，当过压缩平衡点后，第一回弹机构(7)、第二回弹机构(8)因要回弹，而通过连杆(5-1)驱动导气活塞(3)迅速向右侧移动，将导气活塞(3)右侧端外的超临界二氧化碳(4)排挤到导气活塞(3)的左侧端外；当第一做功活塞(5)、第二做功活塞(6)、直线往复式发电机(9)中空心动子(9-1)同步向右移动时，空心动子(9-1)迫使第一回弹机构(7)、第二回弹机构(8)弯曲，在压缩平衡点附近时，连杆(5-1)的通道(5-3)的左侧端口与第一做功活塞(5)的通道(5-4)的右侧端口暂时相对连通，当过压缩平衡点后，第一回弹机构(7)、第二回弹机构(8)因要回弹，而通过连杆(5-1)驱动导气活塞(3)迅速再向左侧移动，将导气活塞(3)左侧端外的超临界二氧化碳(4)排挤到导气活塞(3)的右侧端外。
2.根据权利要求1所述的带外平衡阀的超临界流体单缸外驱动外燃热机发电装置，其特征在于所述第一回弹机构(7)、第二回弹机构(8)为V形回弹弹簧片或磁排斥V形回弹折臂。
3.根据权利要求2所述的带外平衡阀的超临界流体单缸外驱动外燃热机发电装置，其特征在于所述磁排斥V形回弹折臂由第一直臂(A)、第二直臂(B)、第一永磁片(C)、第二永磁片(D)组成；第一直臂(A)两端分别设置有第一转动轴孔(A-1)，第二直臂(B)两端分别设置有第二转动轴孔(B-1)，第一直臂(A)一端的第一转动轴孔(A-1)与第二直臂(B)一端的第二转动轴孔(B-1)转动连接，第一直臂(A)、第二直臂(B)最大张开角度小于140度，第一直臂(A)与第二直臂(B)相对内表面上分别镶嵌有第一永磁片(C)和第二永磁片(D)，第一永磁片(C)和第二永磁片(D)靠近第一转动轴孔(A-1)和第二转动轴孔(B-1)的轴心线处镶嵌，第一永磁片(C)与第二永磁片(D)相对面的磁级级性相同，使第一直臂(A)与第二直臂(B)趋向张开。
4.根据权利要求1所述的带外平衡阀的超临界流体单缸外驱动外燃热机发电装置，其特征在于本发明的装置在逆向工作时，为制冷机或制热机。
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