CN1094172C - 具有移动换热器的热力机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热力机，具有限定了工作空间的壳体(2、2a、2a’、2b)、包含在工作空间中的工质、安置在壳体(2、2a、2a’、2b)中的热源(6、6’)以及安置在壳体(2、2a、2a’、2b)中的散热器(5、5’)、构成中间储热器并被安装成可在工作空间内直线移动的换热器(7、7’)，和至少一个受工质作用的工作活塞(4、13、14、20、20’、25)，用于从工作空间输出机械能以及用于向工作空间输入机械能。本发明中工作活塞(4、13、14、20、20’、25)被安置在壳体(2、2a、2a’、2b)内或其上，从而工作活塞的压缩运动与从热源到散热器的工质容积流量有关，它的膨胀运动与相反方向的工质容积流量有关，由容积流量产生的力被用于驱动换热器(7、7’)。

Description

具有移动换热器的热力机
本发明涉及一种具有移动换热器的热力机，尤其是涉及一种用于从太阳能获得机械能的热力机。
德国专利DE-A1-4109298公开了一种具有移动换热器的热力机。
以斯特林机(也叫做热气机)为代表的一种具有换热器的特定形式的热力机包括最古老的热力机和蒸汽机。斯特林机的热力过程在理想方式下包括四种状态变化：低温压缩(等温放热)；等容供热(等体积)；高温膨胀(等温供热)和等容放热〔等体积〕。斯特林机通常具有静止换热器，但低温斯特林机和低温冷却器例外。
上述类型的斯特林机通常具有辅助设备，该辅助设备使换热器在散热器和热源之间来回移动。这个辅助设备可以是位于工作活塞与换热器之间的带惯性块的机械偶合器。这种装置的缺点是结构比较复杂。
作为这种辅助设备的替代物，已知可以用独立的可调容积部件使斯特林机的换热器来回移动，该可调容积部件是一个小辅助活塞，它从斯特林机壳体中的工质的压力变化中吸取能量。就上述采用从工作活塞到换热器的机械反馈的解决方法而论，这种设计思想也存在缺点，它需要附加设备，也就是说需要辅助活塞。另外，辅助活塞所产生的力是通过比较小的区域传到换热器上的。但是，换热器所要克服的力，即它的惯性和它的流体阻力均匀地分布在整个换热器体积上。因此，辅助活塞提供的力与换热器所需要的力之间的实际差别必须由换热器本身来解决。然而，由于换热器是多孔结构，所以它不适合比较大的机械负载。因此，辅助活塞的使用只适合于非常低的没有明显惯性力的斯得林机频率，因而只适合于小的功率密度。另一方面，如果功率密度是预定的，例如在采用太阳能平板吸收机这种场合，那么同样由于低频的缘故这种设计思想便与换热器的大移动幅度相联系。另外，由于需要比较大的活塞质量，这种热力机的生产成本也相应提高。还有，JP-3-78554A公开了一种具有用螺旋弹簧连接的同轴的大排气缸和小活塞缸的热力机。
本发明的目的是提供一开始提到的那种具有移动换热器的热力机，这种热力机比普通的斯特林机具有更高的工作频率和功率密度。
上述目的可通过以下技术方案来实现：
一种热力机，具有限定了一工作空间的壳体、包含在工作空间中的工质、设置在壳体内或其上的热源及设置在壳体内或其上的散热器、构成中间储热器并被安装成可在热源与散热器之间的工作空间内移动的热交换器，和至少一个受工质作用的工作活塞，
其特征在于：热源和散热器被安置在换热器移动行程的一端或另一端区域内，热源被放置在位于工作活塞与换热器之间的壳体内，其中，工作活塞被放置在壳体内或其上，从而它的压缩运动产生从热源到散热器的工质容积流量，它的膨胀运动产生相反方向的容积流量，由于所述换热器的流体阻力，容积流量使换热器相对于工质移动。
在上述热力机中，最好是，换热器、热源和散热器被制成相互平行的平板部件。
在上述热力机中，最好是，工作活塞被设置在其自身的腔体内。
在上述热力机中，最好是，两个工作活塞被安装在腔体内并都产生用于驱动换热器的容积流量。
在上述热力机中，最好是，该热力机被设计成其部件镜像对称的双重形式，它具有以下结构：一个公共壳体、一个或两个放置在壳体中部的散热器、放置在一个或两个散热器两侧的换热器、以及每一侧的一个热源和一个外置的工作活塞，其中两个工作活塞都产生用于驱动换热器的容积流量。
在上述热力机中，最好是，两个工作活塞具有相同的形状、尺寸和质量。
本发明的同一构思下的另一个技术方案是：
一种热力机，具有限定了一可调工作空间的壳体、包含在工作空间中的工质、设置在壳体内或其上的热源及设置在壳体内或其上的散热器、构成中间储热器并被安装成可在热源与散热器之间的工作空间内移动的换热器，和至少一个受工质作用的工作活塞，
其中，工作活塞由所述壳体上除底板外的所有壳体部分所组成，它的压缩运动产生了从热源到散热器的工质容积流量，它的膨胀运动产生了与之相反的容积流量，由于所述换热器的流体阻力，容积流量使换热器相对于工质移动。
在这种热力机中，最好是，热源和散热器分别是壳体的底和顶。
在本发明的上下文中，工作活塞应当被理解为适合于改变工作容积的任何设备，例如，振动片、一端封闭的波纹管、液柱或气柱。
换句话说，按照本发明设计的热力机在没有辅助设备(其限制了更高的频率)的情况下工作，用于控制换热器，使得均匀分布在整个换热器上的工作压力克服在换热器移动过程中整个换热器上均匀分布的制动力，从而换热器在散热器与热源之间线性移动或振动的过程中完全没有机械负载。由于换热器的无负载线性移动，因此甚至在频率达50Hz或50Hz以上时，换热器也能工作。
换句话说，由于采用了按照本发明的驱动，换热器是在无任何负载的情况下通过工质的容积流量得以移动的。在这种情况下，由于换热器的惯性使得换热器的移动相对于工作活塞的移动发生了相移。该相移可以通过换热器的质量和流体阻力得到调节，从而在0°到90°范围内变化。
与一开始所述的斯特林机相反，按照本发明的热力机的热力过程发生在两条等温线与两条多变线之间。
选择向本发明的往复系统提供有用的能量或从本发明的往复系统吸收有用的能量实际上是已知的，因此在本发明上下文中不需要作任何专门的解释。
按照本发明的热力机的优选实施例提供了一种结构简单的设计，它的基本部件，即换热器、散热器和热源设计成相互平行的平板部件。采用这种结构，按照本发明的热力机特别适合于太阳能驱动。
按照本发明的热力机的工作活塞可以用不同的方式放置在相对于热源、散热器和换热器的不同位置上，以便产生用于驱动换热器的容积流量。如果将活塞与热力机壳体上的热源相对放置，例如采取被导向热源上方的壳壁的普通活塞的形式，那么就可以得到紧凑的结构。
按照本发明的有利改进，提供了两个工作活塞以便产生换热器所需要的容积流量，这两个工作活塞都是从热源—换热器—散热器装置的热源侧开始驱动的。这种情况下，这两个工作活塞最好这样安装，使得它们在由热源—热交换器—散热器装置的壳体整体构成的腔体内能够相对于换热器的移动方向作横向直线移动。还有，这两个工作活塞最好具有相同的形状、相同的质量和相同的尺寸。
另外，本发明提出双热力机形式的致冷机，其中，该机组包括两个上面所述的那种热力机组，它们的热源点朝外、散热器相邻，两台换热器由独立的容积流量驱动。具体地说，在任何时候，一个工作活塞产生的容积流量的方向总是与另一个工作活塞产生的容积流量的方向相反，在任何时候，热力机的镜像面中的容积流量总是等于零。
就原理而论，按照本发明的热力机有广泛的应用。一个特别的应用是将热力机用于太阳能系统。
下面将借助于附图对本发明作详细说明。附图中：
图1示出了按照本发明的热力机的第一实施例，它采用单个工作活塞；
图2示出了按照本发明的热力机的第二实施例，它采用两个工作活塞；
图3示出了按照本发明的热力机的第三实施例，它作为双致冷机；
图4示出了按照本发明的热力机的第四实施例，它采用单个工作活塞；和
图5示出了图4所示实施例的改型。
如图1所示，按照本发明的热力机的第一实施例包括大致为筒形的壳体1，它具有较大直径的壳体部分2a和较小直径的壳体部分2b。工作活塞4是被这样导向的，它在小直径壳体部分2b内可以沿壳体的纵轴方向直线或来回移动。大直径壳体部分2a内含有按平板设计的散热器5、热源6和换热器7，其中，热源6与散热器5对置并位于活塞4的下方，换热器7被放置成它在散热器5与热源6之间的工作空间内可以沿壳体的纵轴方向移动。散热器5、热源6和换热器7的结构是采用已有技术的结构，尤其是斯特林机技术领域的行家所熟悉的结构。原则上，这些热力机部件可以考虑采用不同的材料。基本特征是换热器7由适合于用作中间储热器的多孔、流体可渗透材料所构成。工作活塞4基本上可以由适合于供斯特林机使用的任何材料构成。
热力机的壳体1和工作空间内充满了工质，如氦或更经济的空气。
换热器7同样是用已知的方式悬挂在壳体1内的，它可以在散热器5与热源6之间振动而不会出现任何明显的倾斜移动。图1中弹簧8和9被装在换热器7的下面，仅仅是为了示意这种用途。此外，还可以考虑用支承在壳体上的与换热器和边缘接合的垫珠(beads)来引导换热器。
本发明的一个基本特征是这样放置工作活塞4，使得工作活塞4的直线移动所产生的容积流量驱动无任何机械负载的换热器7。这就可以使得热力机能够在大范围的任何频率下工作。
图2示出了按照本发明的热力机的第二实施例。这是一个具有两套工作系统的热力机。具体地说，图2中的热力机包括图1所示热力机的大直径壳体部分2a，散热器5、热源6和换热器以与图1相同的方式装在壳体部件2a内。壳体部分2a被安置在活塞腔10的上部11，活塞腔10的下部12容积较大，里面放置了两个同样设计的同轴工作活塞13与14，它们被导向成可以滑动。为了引导活塞13和14，分别给活塞13和14提供了导向环15或16以便活塞13和14能相对于换热器横向滑动。壳体10的内部和壳体部分2的腔内充满了工质。图2中的热力机的工作方式在原理上与图1中的相同。
图3示出了一个双热力机，它是由两台图1所示的热力机组构成的，它起着热力致冷机的作用。具体地说，双热力机包括由两个图1所示实施例中的壳体部分2a所构成的镜像组合，它们的内部还安装了斯特林机部件。采用与图1中相同的参考数字，于是该双热力机包括壳体部分2a，其中装有散热器5、热源6和换热器7，换热器7位于散热器5与热源6之间。在热源侧，壳体2a是靠活塞20封闭的，活塞20包括活塞壁21，活塞壁21通过波纹管22连接到壳体部分2a上以便得以封闭。不过，从原理上讲图1中的活塞4的典型设计也适用。
图2和图3中的热力机比图1和图4中的热力机的优越之处是：由于热力机在一定程度上是平衡的，因此当工作时，其重心保持不变。
如上所述，图3中的双热力机包括刚才解释的壳体部分2a与其内部的热力机部件和外部的活塞的镜像组合，镜像部分的相同部件用带有“’”的相同参考数字表示。在所述的示意性实施例中，两个散热器5和5’相互连接。作为这种方案的替代方案，散热器5和5’还可以被制成一体。
被活塞20和20’封闭的壳体部分2a和2a’中充满了公用的工质，因而它们作用于相同的工作容积。该双重斯特林机以推拉方式工作，也就是说，活塞20与20’和换热器7与7’同步进行直线移动并作用于相同的工质上，并如上所述分别由相同的工质驱动而无任何负载。
图4示出了按照本发明的热力机的第四实施例。该实施例在原理上与图1所述的第一实施例有所不同，它的活塞由整个壳体构成。
具体地说，该工作活塞不能在单独的壳体部分2b内滑动，除了底板26之外整个壳体构成了活塞，底板26通过波纹管27连接到壳体部分2a上以便得以密封，按照本发明的热力机的实施例被支承在底板26上。
此外，带底板26的波纹管25连接的壳体底壁2c具有供工质流过的中心传输口，该壳体底壁2c构成了散热器，与之对置的壳体顶壁2d构成了热源。由于其热源暴露在外，因此该热力机特别适合于用作太阳能热力机。
图5示出了图4中的热力机的改进实施例。在该实施例中，壳体下部容纳了水柱28，水柱28一方面因波纹管截面与水柱截面之间的不同而承受壳体的重量，另一方面因同样的原因而以与壳体相反的相位振动，因而活塞质量是由水的质量和壳体的质量一起组成的。

Claims (8)

1、一种热力机，具有限定了一工作空间的壳体(2、2a、2b)、包含在工作空间中的工质、设置在壳体(2、2a、2b)内或其上的热源(6、6’)及设置在壳体(2、2a)内或其上的散热器(5、5’)、构成中间储热器并被安装成可在热源(6、6’)与散热器(5、5’)之间的工作空间内移动的热交换器(7、7’)，和至少一个受工质作用的工作活塞(4、13、14、20、20’)，
其特征在于：热源(6、6’)和散热器(5、5’)被安置在换热器(7、7’)移动行程的一端或另一端区域内，热源被放置在位于工作活塞(4、20、20’)与换热器(7、7’)之间的壳体(2b)内，其中，工作活塞(4、13、14、20、20’)被放置在壳体(2、2a、2b)内或其上，从而它的压缩运动产生从热源(6、6’)到散热器(5、5’)的工质容积流量，它的膨胀运动产生相反方向的容积流量，由于所述换热器(7、7’)的流体阻力，容积流量使换热器(7、7’)相对于工质移动。
2、根据权利要求1所述的热力机，其中，换热器(7、7’)、热源(6、6’)和散热器(5、5’)被制成相互平行的平板部件。
3、根据权利要求1或2所述的热力机，其中，工作活塞(1 3或14)被设置在其自身的腔体(10)内。
4、根据权利要求3所述的热力机，其中，两个工作活塞(13、14)被安装在腔体(10)内并都产生用于驱动换热器的容积流量。
5、根据权利要求1到2中的任何一条权利要求所述的热力机，其中该热力机被设计成其部件镜像对称的双重形式，它具有以下结构：一个公共壳体(2a、2a’)、一个或两个放置在壳体中部的散热器(5、5’)、放置在一个或两个散热器(5、5’)两侧的换热器(7、7’)、以及每一侧的一个热源(6、6’)和一个外置的工作活塞(20、20’)，其中两个工作活塞(20、20’)都产生用于驱动换热器(7、7’)的容积流量。
6、根据权利要求1所述的热力机，其中，两个工作活塞(13、14)具有相同的形状、尺寸和质量。
7、一种热力机，具有限定了一可调工作空间的壳体(2a、25、26)、包含在工作空间中的工质、设置在壳体(2a、25、26)内或其上的热源(2d)及设置在壳体(2a、25、26)内或其上的散热器(2c)、构成中间储热器并被安装成可在热源(2d)与散热器(2c)之间的工作空间内移动的换热器(7、7’)，和至少一个受工质作用的工作活塞，
其中，工作活塞由所述壳体(2a、25)上除底板(26)外的所有壳体部分所组成，它的压缩运动产生了从热源(2d)到散热器(2c)的工质容积流量，它的膨胀运动产生了与之相反的容积流量，由于所述换热器(7、7’)的流体阻力，容积流量使换热器(7、7’)相对于工质移动。
8、根据权利要求1、2或7所述的热力机，其中，热源(2d)和散热器(2c)分别是壳体(2a、25、26)的底和顶。
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