CN109863294B - 具有动态可控的液力出口的热力发动机 - Google Patents

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Abstract

一种热力发动机，具有动态可控液力出口，热力发动机由高压泵和燃气轮机驱动，该热力发动机包括压力容器(1)、盖(1.1)、可移动隔板(2)、气体工作空间(4)、液体工作空间(5)和回流换热器(7)，其中，在压力容器(1)与盖(1.1)之间设置有密封件(1.4)，其中，在压力容器(1)的内部空间，隔板(2)可移动地附接至经折叠的膜(3)，该经折叠的膜(3)附接至盖(1.1)，其中，隔板(2)将压力容器(1)的内部空间分成气体工作空间(4)和液体工作空间(5)，其中气体工作空间(4)占据其较大的区域，其中所述气体工作空间(4)被经折叠的渗透膜(4.4)包围，并且另外，在压力容器内布置有成形部件(1.8)，该成形部件(1.8)限定外部气体通道(10)，该外部气体通道(10)在压力容器(1)的壳体与成形部件(1.8)之间引导，而周向气体通道(4.3)位于成形部件(1.8)与经折叠的膜(3)之间，并且还位于第一渗透膜(4.5)与隔板(2)之间，其中，气体工作空间(4)填充有由孔隙率高于其体积的99％的固体材料制成的微结构(4.1)，并且该气体工作空间(4)被连接有回流换热器(7)的第二渗透膜(4.6)包围，在该回流换热器(7)的空间中布置有连接至传热介质的入口/出口(8.1)的加热用交换器(8)，其中，回流换热器(7)还被成形部件(1.8)包围，并且该回流换热器(7)与气体工作空间(4)被第二渗透膜(4.6)分开，外部气体通道(10)在该回流换热器(7)的与气体工作空间(4)连接的一侧的相反侧进入到回流换热器(7)空间中，该外部气体通道连接至气动致动器(6)室(6.1)，连接至周向气体通道(4.3)的内部气体通道(10.1)还进入到所述气动致动器(6)室(6.1)中。

Description

具有动态可控的液力出口的热力发动机
技术领域
该发明涉及一种热发动机，该热力发动机具有由高压泵驱动的可动态控制的液力出口，以及设计用于需要大力的直线作用来做功的燃气轮机。
背景技术
热力发动机使用循环过程，其中经供给的物质的能量被转换成动能，热力发动机能量输出的扭矩特性可能并不总是适合其直接使用，因此我们调节它以满足实际需要。为此，我们利用所谓的功率传输接口。用于动力传输的液力系统目前通常用于机器驱动和做功，在这些机器驱动和做功中需要大力的直线作用。
在现有技术中，高压泵使用最常见的旋转机器——诸如电机——作为驱动源。在需要更高的功率和特殊应用或没有可用的电能源的情况，内燃机或涡轮机可用作驱动器。
在WO02070887中描述了一种用作高压泵的电能源的热力发动机的实施方式，其标题为HEAT ENGINE WITH HYDRAULIC OUTPUT。根据本发明的液力系统以这样的方式配置和构造：使得往复的活塞引起的压力波动用于泵送液力液体并将液力液体流的机械能转换成线性或旋转运动。用于本发动机操作的热能是从热烟道气体获得的。在基本实施方式中，热力发动机壳体用于将热量从热烟道气体传递至工作气体。在发动机壳体中，从热烟道气体的一侧以及发动机内部的工作气体的一侧，薄片肋布置成将热量从热烟道气传递至工作气体。工作气体在工作室中密封在热力发动机内，该工作室与包含液力液体的主泵室弹性地分离。工作室由置换器分成上部和下部两部分。置换器连接至耦接至浸没在主泵室中的液力液体中的电机的轴。置换器将工作室分成上部部分和下部部分两部分。由于置换器的向上和向下循环运动，工作室的上部部分和下部部分的容积可以交替地改变，优选地在某一阶段使得工作室部分中的一个工作室部分的容积最小且另一个工作室部分的体积最大。进入和离开布置在置换器上方的工作室顶部的工作气体被引导通过热力发动机壳体。在这里，热烟道气体将热能传递至工作气体。在工作室顶部的最大工作气体体积的阶段中，整个工作室中的容积和压力最大。工作气体的膨胀向主泵室中的液力液体施加压力，该液力液体随后通过管线被迫离开主泵室。液力液体从泵室通过管线、反向阀、热交换器流入第一容器中。从第一容器到输出工作单元，并通过管线到第二容器，液力液体从第二容器通过另一个反向阀流回，并且冷却部分返回泵的主室中。蓄能器维持系统压力高于发动机中的压力，使得当置换器向上移动时，泵室中的压降不会阻止液力液体的流通过反向阀。整个液力系统中的容器大小和管道直径必须足够大，以允许必要的液力液体流将能量从发动机排出至输出单元。在具有利用周期液力液体压力波动的液力泵作为动力源的实施方式中，液力液体在入口处切向地泵送，并且在出口处切向地或轴向地泵送。在具有泵的该实施方式中，液力液体通过切向入口进入泵中并通过螺旋路径流至泵出口所在的泵的底部部分。可以在泵的液体入口处或出口处使用反向阀以维持泵的单向流动。在用液力泵轴向输出的热力发动机的一实施方式中，液力液体通过泵的下部部分进入泵，在该下部部分处，该液力液体还流入三维弯头中，其提供通过螺旋路径到切向出口的流。该实施方式在通过发动机的液体流的压力与速度之间的依赖性方面存在结构限制。无法对这些解决方案进行动态输出控制。
在WO8200319中描述了可用作加热泵的斯特林发动机。在该实施方式中，工作容器填充有工作气体-氦气，该容器在下端处被加热并在其上端被冷却。该容器包含可挠性地连接至工作容器的置换器。该置换器将工作气体在工作室内从一侧移动至另一侧，用于使工作气体的加热和冷却交替进行。容器被挠性膜封闭，该膜在容器中生成的压力波下弯曲。当该膜弯曲时，该膜在液力室中移动液力液体并驱动伺服电机，以控制线性交流发电机和气体压缩机。
专利No.CN 103883425 B公开了一种斯特林发动机的液力传输装置，其具有作为热源的热储存器。发动机包括外壳体内的热容器、加热元件、热交换系统、空气入口、热存储件、斯特林发动机液力传输件、液力管线、液力系统液体储存器、液力发动机和热空气管。斯特林发动机液力传动装置的元件属于两步式。
美国专利申请No.US2002073703A公开了一种没有活塞发动机的系统，该系统特别用于马达交通工具。该系统包括至少一个液力泵，这些液力泵中的每个液力泵设置有第一液体通路和第二液体通路。没有活塞的内燃机包括燃烧缸和液力缸。低压蓄能器经由液体连接至液力缸。第一控制阀将低压蓄能器与液力缸连接。至少一个高压蓄能器经由液体连接至液力缸，其中所述连接设置有至少一个第二控制阀。第三控制阀将液力缸与每个泵的第一液体通道相互连接。第四控制阀将液力缸与每个泵的第二液体通道连接。第一工作压力容器连接在每个泵与第三控制阀或第四控制阀之间。
WO8400399A公开了一种热力发动机，该热力发动机具有可在工作室的热端与冷端之间移动的置换器，其中设置有由工作液体驱动的工作活塞。液力液体工作活塞泵和液力控制阀连接至液力出口管线，使得所述阀可以调节液力液体流。可以使用控制单元来控制工作活塞，而不受置换器运动的影响。
国际专利申请WO 0004287 A公开了一种运动发生器，其具有外壳和包含不可压缩液体的腔。外壳中的开口由可移动元件包围。外壳中的相对的凸出的挠性壁形成包含可压缩气体的内部调制室。壁的相对端可以借助于用于压缩和压下该室的运动转换器——例如陶瓷压电构件——朝向彼此移动和相对彼此分开，从而移动该可移动元件并产生该输出运动。
专利申请WO 2006044387 A公开了一种用于将液体从第一低压源泵送到第二高压液体源中的泵，其中泵包括室。分隔构件可移动地定位在该室中，并将该室分成不同体积的第一子室和第二子室；第一子室具有可控制地连接至第二液体源或第三液体源的开口。第二子室具有可控制地连接至第一液体源和第二液体源的入口开口和出口开口。泵还包括冷却装置，用于冷却该第一子室中的液体。
液力动力传输通常涉及将发动机的机械功转变为液体的势能或动能。这些液力系统由三个基本部分组成：高压泵、液体流动控制系统、和液力驱动器或发动机。在根据该实施方式的液力系统中，由于液力液体的惯性和实际的不可压缩性，在控制液力液体流的过程中可能产生压力波动。去除这些现象需要技术要求高且成本高的解决方案。压力损失导致管线分配、液力液体流控制和压力波动降低了整个系统的效率和寿命。
使用外部热能源的热力发动机之前已出现在技术实践中。随着燃烧发动机的技术改进，使用外部热源的热力发动机的优点并没有克服其现有解决方案的结构性困难。技术实践中的问题主要是由来自具有永久内部过压的装置的机械动力输出、以及需要高机械负荷的内部可动部分引起的。提供的操作可靠性、密封、易维护性不足，妨碍了在技术实践中使用这种类型的发动机。
本发明的目的是设计一种装置，该装置具有到高压液力液体输出的动态可控的热能传递。这种装置是具有液力出口、一个液体室和填充有气体的一个工作室的热力发动机，其中可以借助于气动致动器来控制工作室中的气体的运动。
发明内容
通过具有动态控制出口和燃气轮机的热力发动机消除上述缺点，该热力发动机由高压泵和燃气轮机驱动，其包括压力容器、盖、可移动隔板、气体工作空间、液体工作空间和回流换热器，其原理在于，该热力发动机包括具有盖的压力容器，在压力容器与盖之间设置有密封件，其中，在压力容器的内部空间中，隔板可移动地附接至膜，该膜还附接至盖，其中，隔板将压力容器的内部空间分成气体工作空间和液体工作空间，其中气体工作空间占据其较大的区域，其中所述气体工作空间被第一隔板的区域中的第一渗透膜包围，由经折叠的渗透膜在其周长上被包围，并且在回流换热器连接的点处由第二渗透膜包围，并且另外，在压力容器内布置有成形部件，该成形部件限定外部气体通道，该外部气体通道位于压力容器的壳体与成形部件之间，而周向气体通道位于成形部件与经折叠的膜之间，并且还位于隔板与第一渗透膜之间，其中，气体工作空间填充有由网状物增强的大孔隙率的微结构。经填充的气体工作空间经由第二渗透膜连接至回流换热器，在该回流换热器的空间中布置有连接至热能源的交换器，其中，回流换热器还被成形部件包围，外部气体通道在气体工作空间入口的相反侧进入到回流换热器中，该外部气体通道连接至气动致动器室，内部气体通道进入到气动致动器室中，内部气体通道连接至周向气体通道并且还连接至经折叠的渗透膜和包围气体工作空间的渗透膜。
这是一种工作气体气密密封在压力容器的气体工作室中的气体热力发动机的实施方式。它的热/体积/压力变化正在发挥作用。
本发明的原理是用气动致动器替换机械置换器，并且因此不需要分离工作空间的热部分和冷部分。最初由置换器分成热部分和冷部分的工作空间设计为本发明实施方式中的单个工作室。该工作空间填充有高孔隙率的微结构，并且因此具有最小的体积重量。微结构必须经受流动通过以这种方式填充的空间的气体的轻柔的压力。为了更大规模地维持这种微结构，在垂直于气体工作空间的体积变化方向的平面中，该微结构通过层中的增强纤维的网状物来交织。该网状物的相互距离和网状纤维的相互距离将取决于工作空间内工作气体流的所需动力。这些距离的范围是微结构的单元的平均距离的100到10,000倍。
该微结构显著地降低了气体工作空间内热的对流和辐射传播的可能性。在气体入口和出口到气体工作空间的点处，存在具有气体渗透性受阻的膜。这些膜确保工作气体均匀流入气体工作空间中，并且与气体工作空间内的微结构一起，使冷热气体的湍流混合最小化。微结构在气体工作空间的不同位置处可以具有不同的体积密度。以这种方式，可以局部地确定工作气体穿过该微结构的阻力，并且也可以确定工作气体在气体工作空间中的扩散方向，从而为该工作气体的物理参数的改变而充分利用该气体工作空间的最大体积。气体工作空间由较高温度的气体从一侧或从中心填充和排空，并且由较低温度的气体从另一侧或从周边填充和排空。通过在较大规模上消除湍流，微结构内的气体运动将同时在较高温度的工作气体与较低温度的工作气体之间的界面处产生具有高的温度梯度的动态移动区域。由于由气动致动器控制的工作气体流的变化，该区域将移动和改变。调节气体工作空间中的流量将旨在使具有更高的质量并且因此甚至具有更高热容量的气体工作空间部分的温度变化的暴露最小化，理想地该部分仅是微结构和网状纤维。优选地，在气体工作空间中不存在质量置换器允许平均温度的任何快速变化，并因此允许气体工作空间中的工作气体的压力/体积的任何快速变化。通过将气体工作空间与液体工作空间压力结合，这种压力/体积的变化立即发生在液体工作空间中。通过填充并同时通过冷却和加热热交换器和回流换热器来排空气体工作空间，可以实现平均温度的这种变化。该流的速度提供了变化的动力，这是由气动致动器产生的压力差造成的。由气动致动器产生的这种压力差不仅由其转速决定，而且还由紧靠一对双向气体通道设置在气动致动器室中的叶轮决定。工作气体的内部流动的方向给出了平均温度、以及因此气体工作空间中的压力和体积、并且因此整个发动机中的压力的增大或减小。通过气动致动器可以精确地控制工作气体在气体工作空间中的运动；有必要确保，气体工作空间内的气体流的影响决不会超过在微结构的不可逆压缩或折叠或其他部分发生机械损坏时的极限。还有必要确保，工作空间内的工作气体温度不超过微结构和设备的其他部分的耐温极限。
通过液力系统的驱动和控制部分的统一的原理解决了现有技术的主要缺点。以这种方式构想的解决方案将大大降低驱动和控制液力系统中压力波动的可能性。发动机设计相当简单，并且在具有永久高压的部分中不包含任何明显机械负荷的部分。在使用带有气动致动器的磁性支承件的情况下，热力发动机内部的可移动部分之间没有干涉，这对其可靠性和使用寿命具有显著影响。在具有高动态压力变化的液力应用中，这种热力发动机将提供具有现有系统所不允许的动力的解决方案。其他参数——诸如重量-性能比——由于液力系统中压力波动的负荷较低以及由于可能缺少调节件而显著改善。由于与液力发动机/驱动器的可能短的、无限制的连接，系统压降的显著降低可以是预期的，并且因此甚至可以提高整体效率，尤其是对于具有高动态压力变化的液力系统。由于该实施方式的能源是热能，因此能源的选择比现有的液力系统宽得多。同时，它允许使用替代和可再生的热能和能源。随着最佳模式的周期性变化，装置的液力输出可以直接用作泵。优选地，装置将在高压下操作，其中通过增加相同工作空间中的压力可以实现更高的功率。
在新设计的装置中解决了现有设计解决方案中普遍存在的不适当的操作可靠性、气密性和易维护性。通过装置的设计提供的高可靠性允许完全封装，而不需要在运动点处进行密封。在热力发动机内部没有高度机械负荷的部分，并且不需要相互接触的运动部分，因此不需要润滑，这对这些部分的寿命有重大影响，并且因此采用永久性密封设计的装置的高增压部分不需要定期维护和更换内部部分或液体是可能的。
附图说明
该发明将参考随附附图进行解释，其中图1示出了在膨胀阶段具有内部交换器的示例性实施方式，图2示出了在压缩阶段具有内部交换器的示例性实施方式，图3示出电动回流换热器的细节，图4示出了在膨胀阶段在壳体中具有交换器的热力发动机的示例性实施方式，图5示出了在压缩阶段在壳体中具有交换器的热力发动机的示例性实施方式。图6以具有滚子支承件的实施方式示出了气体致动器的实施方式的细节“B”，图7示出了气动致动器的A-A截面的视图，图8示出了具有磁性支承件的实施方式中的气动致动器的细节，图9示出了致动器叶轮，图10示出了填充工作空间的实施方式的细节“C”，图11示出了网状物的示例性实施方式，图12示出了与经折叠的可渗透膜的弯折部相紧固的网状物边缘的实施方式的细节“D”。
具体实施方式
下面参照相应的附图，在具有动态可控液力输出的热力发动机的示例性实施方式的以下描述中解释本发明。在本发明的附图中，借助于在压力容器壳体中具有内部热交换器的热力发动机和具有加热用热交换器的热力发动机的示例性实施方式示出了该发明。
具有内部热交换器的热力发动机如图1和图2所示。在该实施方式中，热力发动机由压力容器1和盖1.1组成，密封件1.4布置在压力容器1与盖1.1之间。压力容器1是圆柱形形状的并且从体积紧凑性和内部压力的角度来看是最佳的，其中这种容器形状不是设备的校准操作的首要必备条件。压力容器1还被隔板2划分为两个工作空间。这些工作空间是气体工作空间4和液体工作空间5，液体通道5.2进入到液体工作空间5中，液体通道5.2终止于液力入口/出口5.1，用于从热力发动机释放机械功。气体工作空间4占压力容器1的较大部分，其最佳形状是紧凑的，类似于相对于体积具有最小表面的球，其中该气体工作空间4由第一渗透膜4.5、经折叠的渗透膜4.4和第二渗透膜4.6包围。此外，在压力容器1内设置有成形部件1.8，该成形部件1.8限定了外部气体通道10，该外部气体通道10位于压力容器1的壳体与成形部件1.8之间；而周向气体通道4.3位于成形部件1.8与第一渗透膜4.5、隔板2、经折叠的膜3和经折叠的渗透膜4.4之间。为了确保工作气体的经布置的和可限定的运动12并确保由于气体工作空间4内的混乱流、热辐射和热传导而产生的工作气体的温度变化最小化，该气体工作空间4被填充有微结构4.1。这种微结构4.1由在发动机温度范围内耐循环温度变化的材料组成，并且在该温度范围内具有足够的弹性和强度。微结构4.1的孔隙率高于其总体积的99％，并且密度介于1×10-4g cm-3到0.03之间。微结构4.1中的均匀性和在微结构4.1中连接各单元的方法必须允许体积变化而没有永久变形并且具有高使用寿命。用于制造微结构4.1的合适材料是：碳的微纤维和纳米纤维、陶瓷的微纤维和纳米纤维、以及金属的微纤维和纳米纤维；飞行石墨；石墨气凝胶；或者满足上述材料特性条件的其他材料。
该微结构4.1可以通过彼此间隔开的网状物4.2来增强，其中网状物4.2取向为与气体工作空间4在工作阶段期间的尺寸变化的方向垂直。网状物4.2由位于呈旋转90°的“V”或“W”形状的环内的相互交织的纤维形成。呈网的形式的纤维可以通过锡焊、胶合、压入到一个环的边缘中或两个环之间而附接至所述环，或通过在焊接之前插入两个环之间而附接至所述环。这些环并且因此经折叠的渗透膜4.4由具有高弹性和抗疲劳的薄金属板制成；理想的材料是合金钢或钛合金。这些环还在周长上设置有孔4.7，这些孔为由这些环组装而成的经折叠的渗透膜4.4提供了对工作气体的渗透性；见图10和图12。网状物4.2之间的空间填充有微结构4.1。网状物4.2的目的是既在气体工作空间4体积的变化中又在工作气体的内部运动12中保持均匀的微结构。在图10和图11中示出了气体工作空间4内的网状物4.2和微结构4.1的布置。图12示出了经折叠的渗透膜4.4的边缘的实施方式的细节“D”。针对高温应用，网状物4.2的纤维可以由碳、陶瓷或金属制成。
气体工作空间4和液体工作空间5两者的设计必须允许隔板2的运动，隔板将两者分开。隔板2和经折叠的膜3的设计被设计成即使在液体已经从液体工作空间5排出之后也经受气体工作空间4中的压力。经折叠的膜3同时在内部气体通道10.1中流动的工作气体与在液体工作空间5内的液压液体之间形成热交换表面，从而形成第二热交换器。在周向气体通道4.3的这部分中，工作气体将被传导，以使工作气体与经折叠的膜3之间的热交换最大化。工作气体在一个阶段中(反之在另一阶段中亦如此)的流将从气动致动器6的室内传导至内部气体通道10.1，然后进入周向气体通道4.3的这部分中，然后传导至渗透膜4.5和经折叠的渗透膜，进入气体工作空间4并进入回流换热器7，在该回流换热器中设置有热交换器8，该热交换器8连接至传热介质的入口/出口8.1，工作气体还穿过外部气体通道10到达作为气动致动器6的一部分的室6.1。在结构上，必须确保气体工作空间4的体积与工作气体所在的热力发动机的其他部分的体积之间的最佳比率。
图3示出了回流换热器7的实施方式与电加热件8.2的变型。在该实施方式中，电加热件8.2连接在回流换热器7和气体工作空间之间，气体工作空间通过电线9.1电连接到控制单元9，控制单元9连接到电压源9.2。回流换热器7还抵接该成形部件1.8并通过第二渗透膜4.6与气体操作空间4的侧面分离，其中回流换热器7的第二端连接至外部气体通道10。
该实施方式中热力发动机的功能如下。工作气体在气体工作空间4内的运动从气体工作空间4的中心延伸至压力容器1的内壳体并且反之亦然。气体工作空间4的填充用于确保工作气体在工作空间内的均匀流动，并且也由于工作气体的流动方向交替，在几乎整个气体操作空间4的容积中形成在工作阶段期间移动的高温区域14。在热力发动机的所有部分中，工作气体的流动方向和速率都不同。当液体工作空间5中要求压力增加和压缩时，工作气体从气动致动器6流动通过外部气体通道10、通过回流换热器7和热交换器8、通过气体工作空间4内部容积、进入周向气体通道4.3中。以这种方式，装置内部的工作气体的平均温度增加，并且气体工作室4中的压力和膨胀增加，并且同时在液体工作空间中发生压缩。随着要求降低液体工作空间中的压力和膨胀，工作气体从气动致动器6传导通过内部气体通道10.1、到达设置在气体工作空间4的壁处的周向气体通道4.3、还通过气体工作空间4的内部容积、并且随后通过热交换器8和回流换热器7。这降低了装置内的平均工作气体温度，并且在气体工作空间4中发生了减压和压缩，同时在液体工作空间中发生膨胀。液体工作空间5以实际上相同的工作压力对气体工作空间4的膨胀和压缩作出反应，工作空间5在液体工作空间4膨胀时以相同的比率减小；并且工作空间5在气体操作空间4压缩时以相同的比率增加。发动机通过改变液体工作空间5中的压力和体积来做功。在所有工作阶段，两个工作空间4和5的体积之和实际上是相同的。不同操作阶段的发动机如图1和图2所示。在发动机将在低于液体工作空间中的温度下在传热介质8.1的入口/出口处操作的情况上，以及在传热介质将从发动机去除热量的情况下，膨胀和压缩的阶段将相对于工作气体的内部流的方向而反向。
在技术实践中，具有内部热交换器的本发明的压力容器必须仅抵抗从回流换热器7到外部气体通道10的工作气体出口处的常温。
在图4和图5中示出了在压力容器的壳体处具有热交换器的热力发动机的另一实施方式。热力发动机的该实施方式与图1和图2所示的解决方案不同。该实施方式在压力容器1的设计上有所不同，在这种情况下，压力容器1必须经受高温。压力容器1由以下部分组成。中心部分1.2，该中心部分设置在盖1.1与环1.5之间。中心部分1.2抵接支撑在环1.5上的底部1.3，其中所述环借助于穿过分配板1.6的螺柱17连接至盖1.1。另外，在盖1.1与中心部分1.2之间以及也在盖1.1与压力容器1的底部1.3之间设置有密封件1.4。
从热力发动机的效率的角度来看，压力容器1的上述部分必须由具有可能的最高热阻并同时具有能够承受内部压力变化的机械强度的材料制成。经受高温的常见材料具有固体晶体原子键，但它们仅在经受压力和松弛的周期性影响方面有困难。在天然缺陷位置处的负荷，使缺陷增加并因此逐渐降低这种材料的强度。这些负荷也是由于部分的不均匀加热造成的。承受高温的部分的优化设计确保它们在恒定压力下并且不会产生具有内部张力的松弛状态。这只能通过预加载附加压力而将该附加压力引入该部分上来实现。这种预加载应引入到压力容器1的这些部分中：引入到中心部分2中，到环1.5中并到底部1.3中。理想的预加载材料是即使在高温下也能够传递高拉伸应力的碳纤维。在本实施方式中，压力容器1的所述部分，诸如压力容器的底部3和压力容器2的中心部分1.2，被设计为在高温下的高拉伸应力晶体材料与预加载的碳纤维的复合物，作为高温下的高拉伸应力材料。此外，就其作为热交换器的内表面的功能而言，压力容器1的底部1.3的材料也需要具有最高的热导率或能量渗透率，特别是对于电磁辐射。压力容器的底部1.3的理想材料就热导率而言，例如，结晶碳化硅(SiC)或其变型。在能量渗透率方面，蓝宝石玻璃(AI203)是压力容器底部的理想材料。
与外部气体通道10相邻的压力容器1的壳体也同时可以用作图1和图2中的变型以及图4和图5中的变型的热交换器和回流换热器，由此补偿经折叠的膜3作为热交换器的功能。
如可以从随附附图中所见的，使用密封件1.4来密封热力发动机的单独连接的组件。压力容器1的盖1.1设置有以检修盖6.2形式的气动致动器的通路。在具有磁性支承件6.8的无需维护版本的气动致动器6的情况下，可以在检修盖6.2上设置接头，并在具有高不渗透性的生产期间设置永久接头。
为了确保可能的最低液力损失和快速发动机反应，大截面的液体通道5.2是优选的。液体工作空间5中的液体也用作冷却介质。当能量增加时，液体工作空间5中的液体交换也增加，并且因此从热力发动机的散热也增加。在液体通道5.2与液体工作空间5的连接的设计中，优选的是在液体工作空间5内设置内部液体的单向循环流的支撑件，以使液体交换最大化，并在液体工作空间5中将热传递至经折叠的膜3或从经折叠的膜3传递热。
用于冷却该工作气体的最大区域是经折叠的膜3，除了其表面外；其小的厚度也是有利的。在这种设计的交换器中，在膨胀阶段完成时在其空间中束缚的工作气体的体积减小，由此有助于在气体工作空间外部使用最小体积的工作气体来提高效率。经折叠的膜3可以补充有其他热交换表面和元件，从而这在该经折叠的膜的整个表面的周围提供更大的流动。
可以根据输出动力、平均功率和峰值性能要求的特定分配来修改设计。对系统的各个部分适当地设计尺寸可以大大提高所需的液力输出5.1特性。在需要高动力和高效率时，装置可以设计有在回流换热器7中具有大传热表面、具有最佳的热储量的热交换器。回流换热器7和热交换器应具有最佳的压力损失和效率的比。气动致动器6的更高功率以及内部气体通道10.1和外部气体通道10的截面可以提供更大的发动机动力。为了高动力，氦气也是优选的工作气体。
如可以从图1、图2、图4和图5中所见的，所描述的两个热力发动机变体的压力容器盖1.1是相同的。在图6和图8中示出了具有不同支承件的变体中气动致动器6的实施方式的细节。使用气动致动器6的这种布置，在盖子1.1中设置有用于气动致动器6放置的空间。该空间被维护盖6.2覆盖。在维护盖6.2与盖1.1之间的空间中设置有密封件1.4。在该空间中，布置电机的定子6.6和转子6.5以及叶轮6.3。电机的转子6.5存放在磁性支承件6.8和/或球状支承件6.7中。气动致动器6包括腔6.1和叶轮6.3。叶轮6.3经由片弹簧6.4固定至电机的转子6.5轴。在图9中示出了叶轮6.3的示例。在该实施方式中，叶轮6b包括安装在转子6.5上的片弹簧6.4，该片弹簧6.4连接至由气体整流器6.12相互容置的叶片6.11。
图7示出了通过压力容器1的盖1.1的A-A截面，气动致动器6位于该盖1.1中。从A-A截面可以看出，在盖1.1中存在液体通道5.2，内部气体通道10.1和外部气体通道10在液体通道5.2之间，由隔板1.9隔开。在压力容器1的盖1.1的空间内形成气动致动器6的室6.1，在室6.1中布置叶轮6.3。在盖1.1的空间中，使叶轮偏转的电磁体6.10位于叶轮6的叶片上方的适当位置处。在压力容器1的盖1.1的中部，在盖1.1的轴线处设置有电机的转子6.5，转子6.5形成叶轮6.3的轴线。
气动致动器6驱动和控制工作气体的运动。该运动由电机的转子6.5驱动。电机的转速转子6.5确定工作气体的运动速度。工作气体的运动方向12由叶轮6.3对一对内部气体通道10.1和外部气体通道10的设置来确定。叶轮6.3的设置的改变通过其弹性附接至电机的转子6.5来实现。该弹性安装允许叶轮6.3在平行于旋转轴线的方向上偏转。这种偏转理想地但非必须地由片弹簧6.4实现。叶轮6.3在转子6.5的旋转轴线的方向上的偏转可以借助于电磁体6.10来实现，但也可以通过电子控制的磁性支承件，通过将叶轮6.3与电机的转子6.5牢固地耦接来进行。位置传感器6.9测量叶轮6.3的实际位置，并用作用于控制叶轮6.3运动的电子控制单元9的反馈装置，其中电子控制单元9借助于电线9.2连接至电磁体6.10、磁性支承件6.8和电机的定子6.6。在热力发动机的一个示例性实施方式中，包括在根据图4和图5的热力发动机壳体中的热交换器，一个或多个温度传感器9.3——优选地设置在周向气体通道4.3中，在通向气体工作空间4的入口处——对于控制叶轮的运动和装置的热保护来说是必要的。
工业实用性
该装置可以用作具有热能源的液力致动器的动态控制的液力压力/体积源，并且不需要用于液力泵和阀。它可以在使用液力驱动器的任何地方使用，并且在使用更多可用热源时偏向于使这些液力驱动器的运行速度更快，并具有更高的效率。
在阶段交替的常规循环模式中，当液力输出由两个单向阀补充时，装置可以用作高压泵。如果有足够的热能或者在无法使用诸如电机、内燃机等之类的正常的运动能源的情况下，装置可以用于获得机械功。为例如，将太阳能直接转换成机械功提供了更大的可能性。在技术实践中，该解决方案的使用提供了如在通过反渗透方法进行海水淡化中的能量源的广泛的实用性。
附图标记列表
1. 压力容器
1.1 压力容器的盖
1.2 压力容器的中部部分
1.3 压力容器的底部
1.4 密封件
1.5 环
1.6 分配板
1.7 预张螺柱
1.8 成形部件
1.9 通道隔板
2. 隔板
3. 经折叠的膜
4. 气体工作空间
4.1 微结构
4.2 网状物
4.3 周向气体通道
4.4 经折叠的渗透膜
4.5 第一渗透膜
4.6 第二渗透膜
4.7 孔
5. 液体工作空间
5.1 液力入口/出口
5.2 液体通道
6. 气动致动器
6.1 室
6.2 维护盖
6.3 叶轮
6.4 片弹簧
6.5 电机的转子
6.6 电机的定子
6.7 支承件
6.8 磁性支承件
6.9 位置传感器
6.10 电磁体
6.1 叶片
6.12 气体整流器
7. 回流换热器
8. 热交换器
8.1 传热介质的入口/出口
8.2 电加热件
9. 电子控制单元
9.1 电线
9.2 电压源
9.3 温度传感器
10. 外部气体通道
10.1 内部气体通道
11. 辐射能源
12. 工作气体的运动方向
13. 内部部分的运动方向
14. 高温梯度区域

Claims (9)

1.一种热力发动机，所述热力发动机具有动态控制的出口，所述热力发动机由高压泵和燃气轮机驱动，所述热力发动机包括压力容器(1)、盖(1.1)、可移动的隔板(2)、气体工作空间(4)、液体工作空间(5)和回流换热器(7)，所述热力发动机的特征在于，在所述压力容器(1)与所述盖(1.1)之间设置有密封件(1.4)，其中，在所述压力容器(1)的内部空间中，所述隔板(2)以可移动的方式附接至经折叠的膜(3)，所述经折叠的膜(3)还附接至所述盖(1.1)，其中，所述隔板(2)将所述压力容器(1)的所述内部空间分成气体工作空间(4)和液体工作空间(5)，其中所述气体工作空间(4)占据所述内部空间的较大的区域，其中所述气体工作空间(4)在第一隔板的区域中被经折叠的渗透膜(4.4)包围，并且另外，在所述压力容器内布置有成形部件(1.8)，所述成形部件(1.8)限定外部气体通道(10)，所述外部气体通道(10)在所述压力容器(1)的壳体与所述成形部件(1.8)之间延伸，而在所述成形部件(1.8)与所述经折叠的膜(3)之间并且在第一渗透膜(4.5)与所述隔板(2)之间设置有周向气体通道(4.3)，其中，所述气体工作空间(4)填充有由孔隙率高于其体积的99％的固体材料制成的微结构(4.1)，并且所述气体工作空间(4)被连接有回流换热器(7)的第二渗透膜(4.6)包围，在所述回流换热器(7)的空间中布置有连接至传热介质的入口/出口(8.1)的热交换器(8)，其中，所述回流换热器(7)还被所述成形部件(1.8)包围，并且所述回流换热器(7)通过所述第二渗透膜(4.6)而与所述气体工作空间(4)分隔开，所述外部气体通道(10)在所述回流换热器(7)的与连接所述气体工作空间(4)的一侧相反的一侧进入到所述回流换热器(7)空间中，所述外部气体通道连接至气动致动器(6)的室(6.1)，连接至所述周向气体通道(4.3)的内部气体通道(10.1)也进入到所述气动致动器(6)的室(6.1)中。
2.根据权利要求1所述的热力发动机，其特征在于，所述气动致动器(6)包括电机的定子(6.6)和转子(6.5)以及设置有叶轮(6.3)的室(6.1)，所述叶轮(6.3)设置有叶片(6.11)和气体整流器(6.12)，其中，所述叶轮(6.3)通过片簧(6.4)而连接至所述电机的所述转子(6.5)的轴，其中，所述电机的所述转子(6.5)容置在支承件(6.7)中。
3.根据权利要求2所述的热力发动机，其特征在于，所述支承件(6.7)是磁性支承件(6.8)。
4.根据权利要求1所述的热力发动机，其特征在于，所述压力容器(1)的所述壳体构成设置在所述盖(1.1)与底部(1.3)之间的中部部分(1.2)，其中，所述底部(1.3)抵接环(1.5)，所述环(1.5)设置在分配板(1.6)上，其中，所述分配板(1.6)通过螺柱(1.7)而连接至所述盖(1.1)，并且另外，所述密封件(1.4)设置在所述盖(1.1)与所述中部部分(1.2)之间、所述中部部分(1.2)与所述底部(1.3)之间。
5.根据权利要求1所述的热力发动机，其特征在于，所述微结构(4.1)包括如下材料：所述材料的孔隙率高于所述材料的总体积的99％并且密度介于1×10-4g cm-3至0.03g cm-3之间。
6.根据权利要求1或权利要求5所述的热力发动机，其特征在于，所述微结构(4.1)包括：碳的微纤维和纳米纤维、陶瓷的微纤维和纳米纤维、以及金属的微纤维和纳米纤维；飞行石墨；或者石墨气凝胶。
7.根据权利要求1所述的热力发动机，其特征在于，所述经折叠的膜(3)是不透气的。
8.根据权利要求1所述的热力发动机，其特征在于，所述微结构(4.1)设置在彼此相距一距离的网状物(4.2)之间，其中，所述网状物(4.2)设置在垂直于所述隔板的运动矢量的平面中，其中，所述网状物(4.2)连接至所述经折叠的渗透膜(4.4)的弯折部。
9.根据权利要求8所述的热力发动机，其特征在于，所述网状物(4.2)包括碳纤维、陶瓷纤维或金属纤维，其中，所述网状物的相互距离和网状纤维在其平面内的相互距离处于所述微结构(4.1)的单元的平均距离的100到10,000倍的范围内。
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