CN110566421B - 一种利用固体工质实现热能-机械能转换的热机装置 - Google Patents

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Abstract

一种利用固体工质实现热能‑机械能转换的热机装置，属于动力装置领域。包括活塞式固态热能转换装置；所述活塞式固态热能转换装置包括外壳、内芯和SMA弹簧；外壳的底部封闭，顶部开口，侧壁上设有热水入口、冷水入口、热水出口和冷水出口；内芯位于外壳内，内芯顶部设有活塞，底部开口，侧壁设有分别与热水入口、冷水入口、热水出口和冷水出口对应的开口；活塞顶部设有连接轴，SMA弹簧位于内芯内。本发明通过将热水和冷水交替通入活塞式固态热能转换装置内，SMA弹簧受冷伸展受热收缩，往复推动活塞输出动力。

Description

一种利用固体工质实现热能-机械能转换的热机装置
技术领域
本发明涉及动力装置领域，尤其涉及一种利用固体工质实现热能-机械能转换的热机装置。
背景技术
汽轮机和燃气轮机这类传统的能量转化器主要利用气体的物态变化来完成能量转换，因此低温区域的热效率较低，特别是利用发电厂和废物焚烧装置产生的热量，例如长距离输送热能则热量损失极大，因此这样的热量只限于邻近地区利用，但是如果热机的工作物质换成固体，利用固体物质的原子结合能变化而实现的化学能转换器，即使在低温范围内热效率也相当高，因此利用低温范围下不能利用的能量来开发发电技术是十分有必要的。
发明内容
为解决现有传统能量转化器低温区域的热效率较低的问题，本发明提供了一种利用固体工质实现热能-机械能转换的热机装置。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种利用固体工质实现热能-机械能转换的热机装置，包括活塞式固态热能转换装置；所述活塞式固态热能转换装置包括外壳、内芯和SMA弹簧；外壳的底部封闭，顶部开口，侧壁上设有热水入口、冷水入口、热水出口和冷水出口；内芯位于外壳内，内芯顶部设有活塞，底部开口，侧壁设有分别与热水入口、冷水入口、热水出口和冷水出口对应的开口；活塞顶部设有连接轴，SMA弹簧位于内芯内。
进一步的，所述外壳的底部通过后盖封闭，后盖上设有用于固定SMA弹簧的凸起，内芯侧壁与外壳侧壁贴合，活塞内部设有通路，内芯顶部还设有挡板，挡板位于活塞上方，内芯在外壳内的伸展位置和收缩位置之间滑动。
进一步的，当内芯位于所述收缩位置时，SMA弹簧为收缩状态，内芯侧壁封闭热水入口和冷水出口，热水出口和冷水入口分别与内芯侧壁上对应的开口连通，热水出口位于活塞上方，挡板位于热水出口上方，内芯底部与后盖接触。
进一步的，当内芯位于所述伸展位置时，SMA弹簧为伸展状态，内芯侧壁封闭热水出口和冷水入口，热水入口和冷水出口分别与内芯侧壁上对应的开口连通，热水入口位于活塞下方，内芯底部与后盖之间有间隙。
进一步的，所述SMA弹簧位于内芯的槽形室内，SMA弹簧一端与活塞底部接触，另一端与后盖接触，用于固定SMA弹簧的凸起伸入SMA弹簧内。
进一步的，所述活塞式固态热能转换装置成对设置并分别与杠杆转动连接，油压机的伸缩轴也与杠杆转动连接，杠杆与两个活塞式固态热能转换装置的连接点之间设有支点。
进一步的，所述热水入口和热水出口分别通过管道与热水箱相连，热水箱与热水入口之间设有微型泵，冷水入口和冷水出口分别通过管道与冷水箱相连，冷水入口与冷水箱之间设有微型泵。
本发明的有益效果是：热水和冷水交替通入活塞式固态热能转换装置内，SMA弹簧受冷伸展受热收缩，往复推动活塞输出动力。
附图说明
图1为本发明的部分结构示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明活塞式固态热能转换装置的结构示意图；
图4为本发明的右视图；
图5为本发明的正视图；
图6为本发明的左视图；
图7为本发明的俯视图。
图中1.油压机，2.应变片，3.杠杆，4.活塞式固态热能转换装置，5.微型泵，6.活塞，7.内芯，8.热水出口，9.冷水出口，10.热水入口，11.冷水入口，12.连接轴，13.后盖，14.外壳，15.槽形室。
具体实施方式
一种利用固体工质实现热能-机械能转换的热机装置，其特征在于，包括活塞式固态热能转换装置4；所述活塞式固态热能转换装置4包括外壳14、内芯7和SMA弹簧；外壳14的底部封闭，顶部开口，侧壁上设有热水入口10、冷水入口11、热水出口8和冷水出口9；内芯7位于外壳14内，顶部设有活塞6，底部开口，侧壁设有分别与热水入口10、冷水入口11、热水出口8和冷水出口9对应的开口；活塞6顶部设有连接轴12，SMA弹簧位于内芯7内；内芯7侧壁与外壳14贴合。
外壳14的底部通过后盖13封闭，后盖13上设有用于固定SMA弹簧的凸起，内芯7侧壁与外壳14侧壁贴合，活塞6内部设有通路，内芯7顶部还设有挡板，挡板位于活塞6上方，内芯7在外壳14内的伸展位置和收缩位置之间滑动；优选的用于固定SMA弹簧的凸起为轴状结构，其伸入SMA弹簧内部以限定SMA弹簧的位置，挡板设有密封垫。
当内芯7位于所述收缩位置时，SMA弹簧为收缩状态，内芯7侧壁封闭热水入口10和冷水出口9，热水出口8和冷水入口11分别与内芯7侧壁上对应的开口连通，热水出口8位于活塞6上方，挡板位于热水出口8上方，内芯7底部与后盖13接触。
当内芯7到达收缩位置之后，内芯7内部的热水穿过活塞6由热水出口8导出，冷水由冷水入口11通入内芯7，SMA弹簧受冷开始伸长，直到活塞6带动内芯7到达伸展位置。
当内芯7位于所述伸展位置时，SMA弹簧为伸展状态，内芯7侧壁封闭热水出口8和冷水入口11，热水入口10和冷水出口9分别与内芯7侧壁上对应的开口连通，热水入口10位于活塞6下方，内芯7底部与后盖13之间有间隙。
当内芯7到达伸展位置之后，内芯7内部的冷水由冷水出口9导出，热水由热水入口10导入，SMA弹簧受热开始收缩，直到内芯7到达收缩位置；依次往复。
优选的热水入口10和冷水入口11位于活塞式固态热能转换装置4一侧，热水出口8和冷水出口9位于另一侧；优选的热水温度为50-100度，冷水温度为20-30度。
SMA弹簧位于内芯7的槽形室15内，SMA弹簧一端与活塞6底部接触，另一端与后盖13接触，用于固定SMA弹簧的凸起伸入SMA弹簧内。
活塞式固态热能转换装置4成对设置，其中一个活塞式固态热能转换装置4的连接轴12与杠杆3中部转动连接，另一个活塞式固态热能转换装置4的连接轴12与杠杆3一端转动连接，杠杆3另一端与油压机1的伸缩轴转动连接，伸缩轴上设有应变片2，应变片2优选为从江苏京明翰仪器设备有限公司购买的日本共和KYOWA应变片，型号为：KH高温焊接应变片kHCR/KHCX，工作温度：-50-350℃，电阻：350欧姆；栅长：5mm，自补偿膨胀系数：11、16×微应变/℃；非常适合长期的应变监测和恶劣条件高温应变测量；杠杆3与两个活塞式固态热能转换装置4的连接点之间设有支点，两个活塞式固态热能转换装置4的连接点与支点的距离均为L1，一个活塞式固态热能转换装置4的连接轴12与杠杆3中部转动连接点与杠杆3另一端与油压机1的伸缩轴转动连接的连接点距离为L2，L2为L1两倍。
SMA弹簧是在高于其逆相变点时压缩制成的，在高温时会产生强有力的收缩，在低于相变点温度时对于伸展的抵抗力很弱，因此可以把这个力差作为活塞6的动力发挥出来。将一个活塞式固态热能转换装置4通入热水至高于逆马氏体相变点的温度，将另一个活塞式固态热能转换装置4通入冷水冷却至低于相变点的温度，因而一个活塞式固态热能转换装置4的连接轴12缩回，另一个活塞式固态热能转换装置4的连接轴12伸出，则杠杆3带动油压机1的伸缩轴伸出如图1所示，接着，将一个活塞式固态热能转换装置4通入冷水冷却至低于相变点的温度，将另一个活塞式固态热能转换装置4通入热水至高于逆马氏体相变点的温度，则杠杆3带动油压机1的伸缩轴缩回，伸缩轴做直线往复运动从而使油压机1产生机械能。
热水入口10和热水出口8分别通过管道与热水箱相连，热水箱与热水入口10之间设有微型泵5，冷水入口11和冷水出口9分别通过管道与冷水箱相连，冷水入口11与冷水箱之间设有微型泵5，热水箱还与热能收集装置相连，热能收集装置采用的是一个刚性绝热容器。
活塞式固态热能转换装置4能否高效率完成驱动工作关键在于对SMA弹簧通入热水和冷水的灵敏度，本实施例通入的热水与冷水相互独立，分别在两个微型泵5的驱动下依次通入，微型泵5可通过单片机进行控制，为了更高效的工作，在活塞式固态热能转换装置4中设有温度传感器来监测活塞式固态热能转换装置4内的实时温度，并将信息传送到主控板，以实现对微型泵5的开闭，控制热水与冷水循环的节奏，尽可能减小形状记忆合金滞后温度对活塞式固态热能转换装置4工作的影响。
形状记忆合金(SMA)是一种的新型的功能性金属材料，它产生于上世纪六十年代初，形状记忆合金具有优良的形状记忆效应和伪弹性，可通过一定温度场和力场来改变形状记忆合金形状，输出较大的位移和驱动力，尤其是在发生马氏体相变时会产生很大的恢复力，形状记忆合金可被制成驱动器等应用在智能机器人领域，目前在包括机电、航空航天、医疗器械、汽车等许多领域被广泛应用，本实施例中包含借助形状记忆合金的这种特性设计的一款活塞式固态热能转换装置4，本实施例SMA弹簧的形状记忆合金优选为TiNi基形状记忆合金、NiMnGa基形状记忆合金、NiMnIn形状记忆合金、Co-Ni基形状记忆合金。
本实施例是利用形状记忆合金(SMA)的原子结合能变化而实现的化学能转换器，即使在低温范围内热效率也相当高，因此我们利用低温范围下不能利用的能量来开发发电技术，使得未来能够将本实施例实用于低温领域的发电部门，而且使其社会上得以普及，同时可有效利用产业废弃余热的技术，每年约可生产数百亿千瓦时的电能，这对于社会节能和环境保护都有重要作用，经济效应也是不言而喻的。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种利用固体工质实现热能-机械能转换的热机装置，其特征在于，包括活塞式固态热能转换装置(4)；所述活塞式固态热能转换装置(4)包括外壳(14)、内芯(7)和SMA弹簧；外壳(14)的底部封闭，顶部开口，侧壁上设有热水入口(10)、冷水入口(11)、热水出口(8)和冷水出口(9)；内芯(7)位于外壳(14)内，顶部设有活塞(6)，底部开口，侧壁设有分别与热水入口(10)、冷水入口(11)、热水出口(8)和冷水出口(9)对应的开口；活塞(6)顶部设有连接轴(12)，SMA弹簧位于内芯(7)内，所述外壳(14)的底部通过后盖(13)封闭，后盖(13)上设有用于固定SMA弹簧的凸起，内芯(7)侧壁与外壳(14)侧壁贴合，活塞(6)内部设有通路，内芯(7)顶部还设有挡板，挡板位于活塞(6)上方，内芯(7)在外壳(14)内的伸展位置和收缩位置之间滑动，当内芯(7)位于所述收缩位置时，SMA弹簧为收缩状态，内芯(7)侧壁封闭热水入口(10)和冷水出口(9)，热水出口(8)和冷水入口(11)分别与内芯(7)侧壁上对应的开口连通，热水出口(8)位于活塞(6)上方，挡板位于热水出口(8)上方，内芯(7)底部与后盖(13)接触，当内芯(7)位于所述伸展位置时，SMA弹簧为伸展状态，内芯(7)侧壁封闭热水出口(8)和冷水入口(11)，热水入口(10)和冷水出口(9)分别与内芯(7)侧壁上对应的开口连通，热水入口(10)位于活塞(6)下方，内芯(7)底部与后盖(13)之间有间隙，所述SMA弹簧位于内芯(7)的槽形室(15)内，SMA弹簧一端与活塞(6)底部接触，另一端与后盖(13)接触，用于固定SMA弹簧的凸起伸入SMA弹簧内，所述活塞式固态热能转换装置(4)成对设置并分别与杠杆(3)转动连接，油压机(1)的伸缩轴也与杠杆(3)转动连接，杠杆(3)与两个活塞式固态热能转换装置(4)的连接点之间设有支点，所述热水入口(10)和热水出口(8)分别通过管道与热水箱相连，热水箱与热水入口(10)之间设有微型泵(5)，冷水入口(11)和冷水出口(9)分别通过管道与冷水箱相连，冷水入口(11)与冷水箱之间设有微型泵(5)；
SMA弹簧是在高于其逆相变点时压缩制成的，在高温时产生强有力的收缩，在低于相变点温度时对于伸展的抵抗力很弱，把这个力差作为活塞的动力发挥出来，将一个活塞式固态热能转换装置通入热水至高于逆马氏体相变点的温度，将另一个活塞式固态热能转换装置通入冷水冷却至低于相变点的温度，一个活塞式固态热能转换装置的连接轴缩回，另一个活塞式固态热能转换装置的连接轴伸出，则杠杆带动油压机的伸缩轴伸出，接着，将一个活塞式固态热能转换装置通入冷水冷却至低于相变点的温度，将另一个活塞式固态热能转换装置通入热水至高于逆马氏体相变点的温度，则杠杆带动油压机的伸缩轴缩回，伸缩轴做直线往复运动从而使油压机产生机械能；
通入的热水与冷水相互独立，分别在两个微型泵的驱动下依次通入，微型泵通过单片机进行控制，在活塞式固态热能转换装置中设有温度传感器来监测活塞式固态热能转换装置内的实时温度，并将信息传送到主控板，以实现对微型泵的开闭，控制热水与冷水循环的节奏，尽可能减小形状记忆合金滞后温度对活塞式固态热能转换装置工作的影响。
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