CN110905621A - 一种原动机和做功方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种原动机，具体是涉及到一种原动机和做功方法，一种原动机包括蒸发器、机体和能量体，所述能量体滑动设置在机体内，能量体底部和机体内壁之间形成密闭的型腔，蒸发器与型腔连通，蒸发器持续吸热蒸发液态工质，工质汽化体积膨胀推动能量体上移做功直至上极限行程，当环境温度低于蒸发温度时，能量体因自重下移压缩气态工质完成液化，本发明通过蒸发器蒸发液态工质，体积膨胀推动能量体上移做功，输出机械能，待环境温度降至液化行程设定值时,通过能量体自重压缩气态工质进行液化行程，整个做功行程和液化行程无需其它辅助设备，避免了不必要的能量损耗，整体结构简单，成本低，性能稳定，效率高，具有积极的经济价值。

Description

一种原动机和做功方法

技术领域

本发明属于一种原动机，具体是涉及到一种原动机和做功方法。

背景技术

原动机泛指利用能源产生原动力的一切机械。是现代生产、生活领域中所需动力的主要来源。

目前利用空气热能转换为机械能的设备中，一般利用蒸发温度低的工质，吸热膨胀做功，但是这种利用液体蒸发成气态，需要其余机械设备来完成，而气态工质变回液态，同样也需要用其它设备压缩气态工质或提高排气压力来完成，该方式会减少工作压差，减少做功，例如通过压缩机械将气态工质压缩成液态，上述两个步骤，增加了设备的制造成本，同时需要消耗大量的动能或者电能，导致成本高，能量损坏大等问题。

目前对于低于80°的热能，基本上很难利用，属于废热，很多情况下还需要冷却设备进行冷却，造成双重能源的消耗，虽然已有通过螺杆膨胀机进行低温热能回收的，但是机器设备昂贵，效率和性能不佳，不具备经济效益，虽然发展了很长时间，但是依然停留在实验室。

申请号为CN201510375201.4，名称为“一种利用低温介质获取冷气、电能的方法及其装置”的中国发明专利记载有一种利用低温介质获取冷气、电能的装置，其说明书第[0029]段记载有“制冷剂在第一冷凝器13中冷凝并向换热介质释放冷凝热，由换热介质吸收冷凝热，制冷剂冷凝后成为液体通过第一膨胀机构15减压后在第一蒸发器16中蒸发；……制冷剂蒸发时吸收换热介质的热量发生膨胀对旋片式动力机17做功，而使旋片式动力机17运转产生机械能，做功后的制冷剂以气态工质状态经发电气态工质压缩机12压缩入第一冷凝器13实现循环，源源不断地为旋片式动力机17提供膨胀动能”。该发明中，需要通过膨胀机构15减压在经过第一蒸发器16蒸发，蒸发发生膨胀对旋片式动力机17做功后，再经过发电气态工质压缩机12压缩回到第一冷凝器13实现循环，其做功的循环路径中，制冷剂的蒸发和液化分别需要膨胀机构和发电气态工质压缩机12，增加了成本，需要消耗大量的动能或者电能，导致能量的浪费，无法产生经济效益，同时，该种循环管路的设计，制冷剂流动途径较长，途中会损耗部分能量，同样会造成能量损失。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种原动机和做功方法，原动机利用太阳能集热、大中型中央空调、工业废烟气水、大型发动机等产生的热量，输出为机械能，整个做功过程和液化行程无需其它辅助设备，避免了不必要的能量损耗，整体结构简单，成本低，性能稳定，效率高，具有积极的经济价值。

本发明的内容包括蒸发器、机体和能量体，所述能量体滑动设置在机体内，能量体底部和机体内壁之间形成密闭的型腔，蒸发器与型腔底部连通，蒸发器持续吸热蒸发液态工质推动能量体上移做功直至上极限行程，当环境温度低于蒸发温度时，能量体因自重下移压缩气态工质完成液化。

本发明还包括散热器，散热器用于排放液化行程产生的热量。

本发明还包括控制器，以及设置在能量体上的上限位开关和下限位开关，控制器和上限位开关、下限位开关和散热器电连接。

本发明还包括用于锁止能量体的锁止器，控制器和锁止器电连接。

更进一步地，所述蒸发器内设置有温度传感器，温度传感器用于检测蒸发器温度是否达到做功设定值，控制器与温度传感器电连接。

本发明还包括环境温度传感器和/或压力传感器，压力传感器用于监测型腔内的压力值，环境温度传感器和/或压力传感器与控制器电连接。

更进一步地，所述蒸发器通过管道Ⅰ连通有储液器，管道Ⅰ上设置有电磁阀，控制器与电磁阀电连接。

更进一步地，所述储液器内设置有上液位传感器和下液位传感器，控制器与上液位传感器和下液位传感器电连接。

一种做功方法，包括如下步骤：

蒸发器内液态工质吸热蒸发，形成气态工质通至型腔内推动能量体向上移动并对外做功，直至上极限形成；当环境温度低于蒸发温度时，能量体因自重下移压缩气态工质完成液化。

更进一步地，步骤具体为：

步骤1：能量体处于底部，当温度传感器检测蒸发器内温度达到做功设定时，控制器控制电磁阀开启，储液器内液态工质流到蒸发器内，蒸发并形成气态工质通至型腔内推动能量体向上移动并对外做功；

步骤2：当能量体上移至上极限行程后，触发上限位开关，控制器接收上限位开关的信号，控制电磁阀关闭，并控制锁止器锁止能量体位置；

步骤3：当环境温度传感器检测环境温度达到液化行设定时，控制器控制散热器工作，型腔内气态工质压力下降，当压力传感器检测压力降至设定值时，控制器控制锁止器解除锁定，同时控制电磁阀开启，能量体向下移动，液化气态工质流回至储液器内；

步骤4：当能量体下移至下极限行程后，触发下限位开关，控制器接收下限位开关的信号后，控制电磁阀关闭，散热器(5)停止工作；

步骤5：重新进行步骤，以此往复做功行程和液化行程。

本发明的有益效果是，本发明通过蒸发器蒸发液态工质，体积膨胀推动能量体上移做功，输出机械能，待环境温度降至液化行程设定值时,通过能量体自重压缩气态工质进行液化行程，整个做功行程和液化行程无需其它辅助设备，避免了不必要的能量损耗，整体结构简单，成本低，性能稳定，效率高，具有积极的经济价值；

设置散热器，排放液化行程过程中压缩气态工质产生的热量，进一步降低型腔内的压力，使能量体的重力势能大于型腔内气态工质液化需要的能量，能量体在液化行程过程中，同样能对外做功。

本发明设置储液器，增加蒸发器的输出总量和能量体的做功行程，提高工作效率；设置锁止器，防止能量体因外部温度变化改变位置和状态。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1中A-A处剖视图。

在图中，1输液罐、2蒸发器、3机体、301隔板、4能量体、401限位杆、402限位齿、5散热器、501换热管、6型腔、7电磁阀、8温度传感器、9压力传感器、10上液位传感器、11下液位传感器、12上限位开关、13下限位开关、14锁止器、15管道Ⅰ、16管道Ⅱ、17控制器、18环境温度传感器。

具体实施方式

如图1-2所示，本发明包括包括蒸发器2、机体3和能量体4，所述能量体4滑动设置在机体3内，能量体4底部和机体3内壁之间形成密闭的型腔6，蒸发器2与型腔6底部连通，蒸发器2持续吸热蒸发液态工质推动能量体4上移做功直至上极限行程，当环境温度低于蒸发温度时，能量体4因自重下移压缩气态工质完成液化。

具体地，蒸发器2与型腔6底部通过管道Ⅱ16连接，管道Ⅱ16呈L形设置，一端与型腔6底部连通，另一端与蒸发器2顶部连通，利于在液化行程气态工质在液化时，液态工质受重力流回蒸发器2内；能量体4呈铅垂设置，提高做功行程和液化行程过程的稳定性；能量体4通过通过密封件与机体3内腔滑动密封，密封件优选为活塞环，提高型腔6的密封效果和能量体4移动的平稳性。

本发明还包括散热器5，散热器5用于排放液化行程产生的热量。

散热器5设置在能量体4上与能量体4一同上下移动，散热器5的换热管501贯穿机体3置于型腔6内，具体地，将能量体4的底板为导热性高的材质，换热管501一端与散热器5连通，另一端置于能量体4的底板内，用于将型腔6内压缩气态工质产生的热量从散热器5排放至外界。

具体地，在环境温度下降，液化行程过程中，可以开启散热器5，将压缩气态工质产生的热量通过散热器5排放至外界，以此降低型腔6内气态工质液化需要的能量，在能量体4的重力势能大于型腔6内气态工质液化需要的能量时，能量体4液化行程的同时对外做功，另外，当环境温度相对较低时，能量体4的重力势能大于型腔6内气态工质液化需要的能量，能量体4液化行程的同时同样对外做功。

本发明还包括控制器17，以及设置在能量体4上的上限位开关12和下限位开关13，控制器17和上限位开关12、下限位开关13以及散热器5电连接。

控制器17用于控制做功行程和液化行程的开始和停止，上限位开关12和下限位开关13对应能量体4的上极限行程和下极限行程，当能量体4上移做功至上极限行程后，触发上限位开关12，当环境温度降至液化行程设定值时，液化行程开始，控制器17控制散热器5开始工作，排出液化行程产生的热量，降低型腔6内气态工质液化需要的能量，使能量体4液化行程的同时对外做功；当能量体4下移至下极限行程后，触发下限位开关13，控制器17控制液化行程结束，开始做功行程。

本发明还包括用于锁止能量体4的锁止器14，控制器17和锁止器14电连接，锁止器14用于在做功行程或者液化行程结束后，对能量体4进行锁止，避免受外界环境温度变化改变能量体4的位置，同时还能用于在做功行程过程中蒸发器2温度低于做功行程设定值或液化行程过程中外界环境温度高于液化行程设定值时，停止做功行程或液化行程，控制器17控制锁止器14锁止能量体4，具体地，当能量体4上移至上极限行程，触发上限位开关12，上限位开关12反馈信号给控制器17，控制锁止器14将能量体4锁止，在做功行程过程中，若温度传感器8检测到蒸发器2温度低于设定值后，做功行程提前结束，锁止器14将能量体4锁止，避免受外界温度变换改变能量体4的位置；当能量体4下移至下极限行程，触发下限位开关13，下限位开关13反馈信号给控制器17，控制锁止器14将能量体4锁止，在液化行程过程中，若环境温度传感器18检测到环境温度高于设定值后，液化行程提前结束，锁止器14将能量体4锁止，避免受外界温度变换改变能量体4的位置。

具体地，锁止器14可以为具有可控制收缩卡块的结构，能量体4底部通过活塞环与机体3密封，能量体4侧边位于活塞环上端部位设置有与锁止器14配合的齿槽，此种结构，锁止器14设置在机体3顶部，可控制锁止器14伸出卡块卡合至机体3上的齿槽，完全能量体4的锁定。

为了提高能量体4在机体3内滑动的流程性，所述能量体4端部固定有位于机体3外侧的限位杆401或限位筒，锁止器14通过锁定限位杆401或限位筒，完成能量体4的锁定，限位杆401的结构可以为方形板或者弧形板，优选为方形板，限位杆401上设置有限位齿402，锁止器14通过伸出卡块，卡合至限位齿402上，完成能量体4的锁定，另外，限位齿或齿槽的长度不短于能量体4的行程长度。

齿槽结构或限位杆410或限位筒与锁止器14沿机体3轴线呈圆周对称分布，防止锁止器14推动能量体4偏离行程方向，本实施例中，优选为对称设置有两组

所述蒸发器2内设置有温度传感器8，温度传感器8用于检测蒸发器2内温度是否达到做功设定值，控制器17与温度传感器8电连接，控制器17检测到蒸发器2内温度达到做功行程设定值后，开始做功行程，在做功行程过程中，当温度传感器8检测到蒸发器2内温度低于做功行程设定值时，做功行程提前结束，锁止器14将能量体4锁止。

本发明还包括环境温度传感器18和/或压力传感器9，压力传感器9用于监测型腔6内的压力值，环境温度传感器18和/或压力传感器9与控制器17电连接，由于型腔6直接与蒸发器2连通，压力传感器9可以置于蒸发器2内，当能量体4位于上极限行程位置时，环境温度传感器18实时检测环境温度，当环境温度低于蒸发温度或者低于液化行程设定值时，型腔6内气态工质随温度下降而压力降低，控制器17控制锁止器14解除锁定，能量体4因重力下移，对型腔6内气态工质进行压缩，体积缩小,能量体4持续下移，同时将气态工质压缩液化，完成液化行程，压力传感器9实时检测型腔6内压力，在液化行程过程中，当环境温度高于液化行程设定值和/或型腔6内压力高于能量体4的重力势能时，液化行程提前结束，锁止器14将能量体4锁止。

所述蒸发器2通过管道Ⅰ15连通有储液器1，管道Ⅰ15上设置有电磁阀7，控制器17与电磁阀7电连接，储液器1用于给蒸发器2提供足量的液态工质，以保证液态工质蒸发量足够能量体4完成做功行程，电磁阀7用于控制储液器1内液态工质的流通。

蒸发器2内温度高于做功行程设定值时，控制器17控制电磁阀7开启，储液器1内液态工质持续流入蒸发器2内进行蒸发，直至做功行程结束后，电磁阀7关闭；当环境温度低于液化行程设定值时，控制器17控制电磁阀7开启，能量体4下移压缩气态工质对气态工质进行液化，液态工质重新流入到储液器1内，电磁阀7关闭，直至下一个做功行程开始，

在做功行程过程中，当蒸发器2内温度低于做功行程设定值时，控制器17控制电磁阀7关闭，蒸发器2因失去液态工质而停止蒸发，体积停止膨胀，能量体4停止上移，控制锁止器14对能量体4进行锁止，做功行程提前结束；在液化行程过程中，当环境温度传感器2和/或压力传感器9检测环境温度高于液化行程设定值和/或型腔6内压力高于能量体4的重力势能时，控制器17控制电磁阀7关闭，锁止器14对能量体4进行锁止，液化行程提前结束。

所述储液器1内设置有上液位传感器10和下液位传感器11，控制器17与上液位传感器10和下液位传感器11电连接，液态工质液位触发上液位传感器10时，液位行程结束，散热器5停止工作，能量体4同时触发下限位开关12；液态工质液位触发下液位传感器11时，做功行程结束，蒸发器2停止工作，能量体4同时触发上限位开关11。上液位传感器10和下液位传感器11的设置，可在上限位开关11和下限位开关11失灵时起到控制作用。

一种做功方法，包括如下步骤：

蒸发器2内液态工质吸热蒸发，形成气态工质通至型腔6内推动能量体4向上移动并对外做功，直至上极限行程；当环境温度低于蒸发温度时，能量体4因自重下移压缩气态工质完成液化。

本发明还包括如下步骤：

步骤1：能量体4处于底部，当温度传感器8检测蒸发器2内温度达到做功设定时，控制器17控制电磁阀7开启，储液器1内液态工质流到蒸发器2内，蒸发并形成气态工质通至型腔6内推动能量体4向上移动并对外做功；

步骤2：当能量体4上移至上极限行程后，触发上限位开关12，控制器17接收上限位开关12的信号，控制电磁阀7关闭，并控制锁止器14锁止能量体4位置；

步骤3：当环境温度传感器8检测环境温度达到液化行设定时，控制器17控制散热器5工作，型腔6内气态工质压力下降，当压力传感器9检测压力降至设定值时，控制器17控制锁止器14解除锁定，同时控制电磁阀7开启，能量体4向下移动，液化气态工质流回至储液器1内；

步骤4：当能量体4下移至下极限行程后，触发下限位开关13，控制器17接收下限位开关13的信号后，控制电磁阀7关闭，散热器5停止工作；

步骤5：重新进行步骤1，以此往复做功行程和液化行程。

本发明的具体工作原理：

做功行程：在热源温度较高时，例如通过太阳集热、空调制冷时冷凝器的温度、发动机的冷却水温和排气、工业冷却水或者工业废烟气等高温环境，优选为高于60°，当液化行程散热温度相对低时，做功温度可以相应调低，蒸发器2吸收外界热量，温度传感器2检测到蒸发器2内温度到达做功行程设定值时，发送信号给控制器17，控制器17控制电磁阀7开启，锁止器14解除对能量体4的锁定，液态工质进入蒸发器2与蒸发器2内部滞留的液态工质一并被蒸发成气态工质进入到型腔6内部，体积膨胀推动能量体4向上移动，同时对做功，输出机械动能；

储液器1持续为蒸发器2提供液态工质，持续蒸发，持续推动能量体4向上移动，直至能量体4到达上极限行程，触发上限位开关11，上限位开关11发送信号给控制器17，控制器17控制电磁阀7关闭，锁止器14对能量体4锁止，做功行程结束。

在做功行程过程中，在热源温度低于做功行程设定值时，热源温度下降，蒸发器2停止吸热，能量体4停止向上移动和对外做功，控制器17控制锁止器14对能量体4锁止，做功行程提前结束，待外部环境温度低于液化行程设定值或热源温度高于做功行程设定值后，继续进行液化行程或者进行做功行程。

液化行程：在环境温度下降至液化行程设定值时，例如晚上温度较低的情况下，优选为低于30°，环境温度传感器18检测到环境温度下降至液化行程设定值时，发送信号给控制器17，控制器17控制电磁阀7开启，锁止器14解除对能量体4的锁定，型腔6内气态工质随着温度下降同时压力降低，能量体4由于自身重力向下移动，对型腔6气态工质进行压缩，体积缩小，气态工质液化，流回蒸发器2和储液器1内，完成液化行程。

液化行程开始时，同时开启散热器5，型腔6内压缩气态工质产生的高温经换热管501输送至散热器5内排放至外界，此时，能量体4的重力势能大于型腔6内气态工质液化需要的能量，能量体4液化行程同时对外做功。

液化行程过程中，环境温度传感器18检测到环境温度高于液化行程设定值时，能量体4停止下移，环境温度传感器18发送信号给控制器17，控制器17控制电磁阀7关闭，锁止器14对能量体4锁止，液化行程提前结束，待外部环境温度低于液化行程设定值或热源温度高于做功行程设定值后，继续进行液化行程或者进行做功行程。

本发明能量体4的重量根据环境温度和热源温度的变化可调，能量体4可以通过对外输出机械能，机械能通过变速器连接发电机，转换为电能等。

Claims (10)

1.一种原动机，其特征是，包括蒸发器(2)、机体(3)和能量体(4)，所述能量体(4)滑动设置在机体(3)内，能量体(4)底部和机体(3)内壁之间形成密闭的型腔(6)，蒸发器(2)与型腔(6)连通，蒸发器(2)持续吸热蒸发液态工质推动能量体(4)上移做功直至上极限行程，当环境温度低于蒸发温度时，能量体(4)因自重下移压缩气态工质完成液化。

2.如权利要求1所述的原动机，其特征是，还包括散热器(5)，散热器(5)用于排放液化行程产生的热量。

3.如权利要求2所述的原动机，其特征是，还包括控制器(17)，以及设置在能量体(4)上的上限位开关(12)和下限位开关(13)，控制器(17)和上限位开关(12)、下限位开关(13)以及散热器(5)电连接。

4.如权利要求3所述的原动机，其特征是，还包括用于锁止能量体(4)的锁止器(14)，控制器(17)和锁止器(14)电连接。

5.如权利要求4所述的原动机，其特征是，所述蒸发器(2)内设置有温度传感器(8)，温度传感器(8)用于检测蒸发器(2)温度是否达到做功设定值，控制器(17)与温度传感器(8)电连接。

6.如权利要求4所述的原动机，其特征是，还包括环境温度传感器(18)和/或压力传感器(9)，压力传感器(9)用于监测型腔(6)内的压力值，环境温度传感器(18)和/或压力传感器(9)与控制器(17)电连接。

7.如权利要求5或6所述的原动机，其特征是，所述蒸发器(2)通过管道Ⅰ(15)连通有储液器(1)，管道Ⅰ(15)上设置有电磁阀(7)，控制器(17)与电磁阀(7)电连接。

8.如权利要求7所述的原动机，其特征是，所述储液器(1)内设置有上液位传感器(10)和下液位传感器(11)，控制器(17)与上液位传感器(10)和下液位传感器(11)电连接。

9.一种做功方法，其特征在于，包括如下步骤：

蒸发器(2)内液态工质吸热蒸发，形成气态工质通至型腔(6)内推动能量体(4)向上移动并对外做功，直至上极限行程；当环境温度低于蒸发温度时，能量体(4)因自重下移压缩气态工质完成液化。

10.如权利要求9所述的做功方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：能量体(4)处于底部，温度传感器(8)检测蒸发器(2)内温度达到做功设定时，控制器(17)控制电磁阀(7)开启，储液罐(1)内液态工质流到蒸发器(2)内，蒸发并形成气态工质通至型腔(6)内推动能量体(4)向上移动并对外做功；

步骤2：当能量体(4)上移至上极限行程后，触发上限位开关(12)，控制器(17)接收上限位开关(12)的信号，控制电磁阀(7)关闭，并控制锁止器(14)锁止能量体(4)位置；

步骤3：当环境温度传感器(8)检测环境温度达到液化行设定时，控制器(17)控制散热器(5)工作，型腔(6)内气态工质压力下降，当压力传感器(9)检测压力降至设定值时，控制器(17)控制锁止器(14)解除锁定，同时控制电磁阀(7)开启，能量体(4)向下移动，液化气态工质流回至储液罐(1)内；

步骤4：当能量体(4)下移至下极限行程后，触发下限位开关(13)，控制器(17)接收下限位开关(13)的信号后，控制电磁阀(7)关闭，散热器(5)停止工作；

步骤5：重新进行步骤1，以此往复做功行程和液化行程。

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