CN115427681A - 能量单元、装置及将热量转换为液压能的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于将热量转换为液压能的能量单元(1)，其设置有压力容器(2)，其中压力容器(2)包括被不可渗透且弹性的膜(5)分开的两个腔室，分别是填充有相变材料(23)的第一腔室(6)，以及填充有液压流体(24)的第二腔室(7)，其中能量单元(1)设置有壳管式热交换器(16)，用于交替地加热和冷却所述相变材料(23)以将相变材料(23)交替地从凝固相切换为熔融相，反之亦然，使得第一腔室(6)的容积交替地增大和减小，其中压力容器(2)的壁设置有通道(26)，该通道被配置为在第一腔室(6)的容积增大和/或容积减小时准许液压流体(24)流分别从第二腔室(7)流出和/或流入第二腔室，其中壳管式热交换器(16)包括一些平直管(17)，其特征在于，管(17)具有最大3.0毫米的外径。

Description

能量单元、装置及将热量转换为液压能的方法

技术领域

本发明涉及一种能量单元、一种装置以及一种将热量转换为液压能的方法。

更具体地，本发明涉及一种使用相变材料的性质的能量单元、装置和方法，按照定义，该相变材料的体积随着从凝固相到熔融相的每次相变而变，以及随着从熔融相到凝固相的每次相变而变，并且其中相变材料的体积变化被用作用于产生液压能的马达。

背景技术

例如，从US2011/0024075中已知这种能量单元，该文献描述了呈圆筒形式的能量单元和可在圆筒中移动的活塞，该活塞密封圆筒中的填充有这种相变材料的腔室，该相变材料在从凝固形式变为熔融形式时通过加热而膨胀并且因此使活塞在圆筒中移动，该移动可以用于施加机械力。

通过交替地加热和冷却圆筒中的相变材料，可以交替地使相变材料熔融和凝固并且因此使相变材料的体积交替地膨胀和收缩，从而导致活塞的向内和向外移动，该移动可以转换为用于驱动马达或其他装置的移动。

从WO2015/184516中已知能量单元的另一示例。WO2015/184516中的能量单元设置有压力容器，该压力容器具有通过弹性膜彼此间隔开的两个腔室。第一腔室填充有相变材料。能量单元具有壳管式热交换器以用于交替地加热和冷却相变材料，其中第一腔室交替地增大和减小容积，使得膜张紧和松弛。第二腔室填充有液压流体。压力容器的壁设置有通道，该通道被配置为在第一腔室中的容积增大和/或容积减小时允许液压流体流分别流出和/或流入第二腔室。

在WO2015/184516A2中描述的能量单元中，具有相变材料的第一腔室位于壳管式热交换器的管周围。壳管式热交换器的管被配置为连接到温度高于相变材料的熔融温度的热介质的供应源，并且连接到温度低于相变材料的熔融温度的冷介质的供应源。

这种能量单元比活塞-气缸实施例更高效，因为当膜张紧和松弛时没有发生摩擦损失。

为了在壳管式热交换器的管中的热交换介质与能量单元的第一腔室中的相变材料之间实现足够大且均匀的热传递，管优选地在其外壁上设置从该外壁径向向外延伸的翅片。

这些翅片的存在使得能够保持壳管式热交换器的结构紧凑。

然而，所述翅片的缺点在于它们将第一腔室分成隔室，并且因此如果温度变化和因此多个隔室中的相变材料的体积变化仍未完全均匀，也可能引起这些隔室之间的轴向压力梯度。

获得壳管式热交换器的管中的介质与第一腔室中的相变材料之间的足够大的热传递的第二可能性是应用所谓的“多程”壳管式热交换器，在所述“多程”壳管式热交换器中，壳管式热交换器的管中的热交换介质流相继地多次通过具有相变材料的第一腔室，其中热交换介质流在每次沿着第一腔室通过之后反向半圈。

因此，与其中热交换介质仅一次行进穿过壳管式热交换器的管的“单程”壳管式热交换器相比，热交换介质将在壳管式热交换器的管中行进更长距离，使得在多程壳管式热交换器中，该热交换介质与第一腔室中的相变材料之间的总热交换更大。

然而，通过涵盖多程壳管式热交换器的管中的此距离，该流中的压降在热交换介质流已经穿过整个壳管式热交换器之后更大。一方面，这是因为与内管壁的摩擦，并且另一方面，这还要是因为当热交换介质流在热交换介质每次沿着第一腔室通过之后反向的摩擦。

另外，在多程壳管式热交换器中，与在单程壳管式热交换器中相比，管中的热交换介质与第一腔室中的相变材料之间的热传递更大，但因此不一定更均匀。

发明内容

本发明旨在解决至少一个所述和/或其他缺点。

特别地，本发明旨在提供一种用于将热量转换为液压能的能量单元、装置和方法，包括以尽可能最高能效的方式将热量转换为液压能，该转换具有最大可能的热传递以及尽可能小的压力和摩擦损失。

为此，本发明涉及一种用于将热量转换为液压能的能量单元，

所述能量单元设置有压力容器，

其中所述压力容器包括被不可渗透且弹性的膜彼此隔开的两个腔室，分别是：

填充有相变材料的第一腔室，所述相变材料的密度在从固相到熔融相的每个相变时变化以及在从熔融相到固相的每个相变时变化，以及

在所述能量单元使用时被填充有液压流体的第二腔室，

其中所述能量单元设置有用于交替地加热和冷却所述相变材料的器件以使所述相变材料交替地从所述凝固相变为所述熔融相以及从所述熔融相变为所述凝固相，以此方式使得所述第一腔室的容积交替地增大和减小，

其中所述压力容器的壁设置有至少一个通道，所述至少一个通道被配置为在所述第一腔室的容积增大和/或容积减小时允许液压流体流分别流出和/或流入所述第二腔室，

其中用于交替地加热和冷却所述相变材料的器件包括壳管式热交换器，

其中所述壳管式热交换器包括穿过填充有所述相变材料的第一腔室的一些平直或几乎平直的管，

其特征在于，所述壳管式热交换器的所述管具有不超过3.0毫米的外径。

根据本发明的这种能量单元的优点有很多。

首先，壳管式热交换器的平直或几乎平直的管的小外径允许这些管以小的相互距离大量地布置在有限空间内。换句话说，根据本发明的能量单元中的管可以比已知能量单元以更高的密度布置。

这样，有限空间内的管在其外壁上形成大的外部热交换表面并且在其内壁上形成大的内部热交换表面。

在尺寸不需要过度地大于已知的能量单元的尺寸的能量单元中，这允许减少或甚至完全取消第一腔室中的壳管式热交换器的管上的翅片结构的使用。这样，可以减少或甚至完全避免在很多情况下在壳管式热交换器的管上包括这些翅片结构的能量单元中发生的任何轴向压力差。

另外，平直或几乎平直的管中不存在弯曲导致能量单元中仅有有限的压降。

另外，对于用根据本发明的能量单元产生液压能，仅发生膜的弹性变形，其中与将包括活塞气缸而不是膜来产生液压能的能量单元相比，发生更少的摩擦损失。

为了进一步增强以上优点，当然还可能选择具有甚至更小外径的管的壳管式热交换器：该外径为优选地最大2.5毫米、更优选地最大2.0毫米、甚至更优选地最大1.5毫米、仍甚至更优选地最大1.0毫米。

在根据本发明的能量单元的优选实施例中，壳管式热交换器的管没有外部翅片。

如上所述，因此可以减少或甚至完全避免能量单元中产生的任何轴向压力，所述轴向压力也不会作用在这些外部翅片上。

在根据本发明的能量单元的后续优选实施例中，所述压力容器的壁被实施为围绕纵向轴线的第一管，其中在所述压力容器的两侧上的所述纵向轴线上的开口借助于两个盖气密地密封，所述两个盖在距彼此一定距离处保持在所述压力容器中。

这样，能量单元被形成为非复杂结构，这简化了能量单元的组装以及能量单元中的部件的维护、维修和/或更换。

在此实施例中，优选地两个盖中的至少一者是可移除的，而优选地，两个盖都是可移除的，并且一个或多个密封件设置在每个可移除盖与压力容器之间。

这使得能量单元的部件的组装以及维护、维修和/或更换甚至更容易。

另外，在此实施例中，优选地，管中的每一者具有密封地安装在两个盖中的第一盖中的第一端和与所述第一端相反的第二端，所述第二端密封地安装在两个盖中的与第一盖相反的第二盖中。

此外，在此实施例中，膜优选地还被实施为第二管，所述第二管在压力容器壁内同轴地安装，使得第一腔室被膜包围并且第二腔室围绕膜在压力容器壁与膜之间延伸。

更优选地，膜通过其自由边缘密封地安装在两个盖中或盖与压力容器壁之间。

这允许密封件定位在管和/或盖中的膜之间而不是在压力容器壁中。因此，压力容器壁不必修改来适应这种类型的密封件。因此，标准管结构可以用作压力容器壁，同时维持压力容器壁的完整机械强度。

这甚至进一步简化能量单元的组装和维护。

此外，鉴于能量单元的第二腔室中的液压流体在管状膜的外侧上的事实，与具有液压流体的第二腔室在膜的内侧上的情况相比，液压流体的相同体积移位需要膜直径的更小膨胀。这导致膜上的应力更少，并且因此降低了膜失效的风险。

在根据本发明的能量单元的下一优选实施例中，所述相变材料具有在25℃和90℃之间、优选地在25℃和60℃之间的熔融温度。

这样的优点在于可以从低温残余热流(例如，被压缩机装置中的压缩热量加热的处于60℃的压缩气体流)回收热量。

在此实施例中，相变材料优选地选自包括以下项的组：

-蜡，

-脂肪酸或脂肪酸的混合物、优选地棕榈酸或月桂酸，

-甘油酯或甘油酯的混合物，或者

-这些物质的混合物。

在这个背景下，“蜡”是指主要由具有12个或更多个碳原子的烷基链组成的有机化合物的混合物，其在室温左右具有可延展性，但典型地比脂肪更硬且更脆，并且在典型地高于35℃的熔融温度或熔融温度区间左右熔融为具有典型地低于1000mPa.s的动态粘度的低粘性流体。

替代地，相变材料优选地是石蜡、优选地是具有偶数个碳原子的烷烃或具有偶数个碳原子的烷烃的混合物，并且更优选地是十八烷。

在这个背景下，“石蜡”是指具有15个或更多个碳链的烷烃链的混合物。

蜡、脂肪酸、甘油酯、石蜡或其混合物是用于意图应用的适当相变材料，根据所使用的蜡、脂肪酸、甘油酯或石蜡的类型，该相变材料具有例如约45℃的低熔融温度，并且其体积在从凝固相变为熔融相时显著地增大并且在凝固时回到其原始体积。

此外，基于材料中的分子中的碳原子的数量、熔融温度或熔融温度区间对这种类型的材料的适当选择可以适合于所欲的应用。

在这一点上，并不排除将不同类型的材料或材料混合物用作也具有这种低熔融温度的相变材料，其体积在从凝固相变为熔融相时显著地增大并且在凝固时恢复其原始体积。

具有偶数个碳原子的烷烃或具有偶数个碳原子的烷烃的混合物提供了相变材料在相变时的体积变化相对于由相变材料在相变时储存或释放的潜热的最大绝对比，所述绝对比在下文将被称为相变材料的膨胀能力。

十八烷提供了具有相对大的膨胀能力的优点，与所有种类的金属相容，并且具有27℃的与大多数蜡相比相对低的熔融温度。由于相对低的熔融温度，十八烷理想地适合于从处于相对低温度的残余热流进行热量回收，这是因为残余热流与相变材料之间在相变材料的相变时的相对大的温差，所述温差是用于残余热流与相变材料之间的热传递的驱动力。

由于相对大的膨胀能力，十八烷非常适合于来自残余热流的热量到液压能的相对大的转换。

在根据本发明的能量单元的下一优选实施例中，所述壳管式热交换器的管由优选为AISI 304不锈钢的不锈钢或铜制成。

这些类型的材料的优点是它们优良的导热性，这有益于热交换介质与相变材料之间的热传递。此外，这种类型的材料具有良好的机械强度和刚度，这意味着壳管式热交换器的管可以承受高压。此外，这些类型的材料由其良好的可加工性表征，这允许使用标准生产技术平顺地生产大量的管。

在根据本发明的能量单元的另一个优选实施例中，所述膜由弹性材料制成。

优选地，这种弹性材料是弹性体或复合材料或橡胶、优选地丁腈橡胶。

由弹性材料制成的膜的优点在于膜容易地且一致地遵循第一腔室中的相变材料的体积变化，这使得膜不容易失效。

在另一个优选实施例中，所述壳管式热交换器的管被分组成一个或多个模块化单元，其中每个模块化单元具有围绕这个模块化单元的参考轴线布置的管。

这便于在构造能量单元时生产零件和组件，并且还便于拆卸以便维护、维修和/或更换能量单元的零件。

优选地，每个模块化单元具有围绕参考轴线平行地布置的管。

这便于管的密集堆叠，这对于热交换介质与相变材料之间的均匀热传递来说是必要的。

替代地，在每个模块化单元中，管围绕参考轴线朝向彼此对角地布置。

这使得可以将模块化单元中的相邻管之间的距离选择为在能量单元的出口处比在能量单元的入口处小。由于在进给热的热交换介质时，这种热交换介质的温度和因此热交换介质与第一腔室中的相变材料之间的温差在能量单元的入口处比在出口处更高，因此相变材料的加热可以在能量单元的整个长度上更均匀地进行。

更优选地，在每个模块化单元中，在垂直于参考轴线的平面中，管的中心根据规则图案进行布置。

在这个背景下，“规则图案”是指二维平面中的图案，根据此二维平面中的两个相交维度，该图案由自身重复的简单图(例如，三角形或矩形)组成。

这提供了对热交换介质与相变材料之间的均匀热传递的进一步改进。

优选地，规则图案是六边形图案。

甚至更优选地，在每个模块化单元中，在垂直于参考轴线的平面中，相邻的管的中心定位在距彼此固定的第一距离处。

这提供了对热交换介质与相变材料之间的均匀热传递的进一步改进。

甚至更优选地，管式热交换器的管被分组为具有平行取向的参考轴线的多个模块化单元，并且在垂直于这些参考轴线的平面中，在所述多个模块化单元中的一个模块化单元的管与所述多个模块化单元中的相邻的一个模块化单元的管之间的第二距离大于所述第一距离。

这提供了在模块化单元之间形成贮存器的可能性，所述贮存器持续地容纳较少经受热交换介质与相变材料之间的热传递的熔融相变材料。始终容纳熔融相变材料的这些贮存器可以容易地将正在熔融且因此膨胀的相变材料收集在模块化单元中。这样，这种膨胀的相变材料对模块化单元中的管的径向力作用被减轻，因此减少或甚至避免这些管在相变材料的膨胀期间的错位。

在根据本发明的能量单元的下一优选实施例中，所述壳管式热交换器的管具有至少0.075毫米、优选地至少0.080毫米、更优选地至少0.090毫米、甚至更优选地至少0.100毫米的壁厚度。

这种最小壁厚度的优点在于管能耐受高压，典型地250巴或更大的压力。

在根据本发明的能量的下一优选实施例中，壳管式热交换器的管被配置为连接到：

-热介质的供应源和排放口，所述热介质能够使相变材料熔融，和/或

-冷介质的供应源和排放口，所述冷介质能够使相变材料凝固。

这具有以下优点：可以使用从废物流回收的热量，所述废物流在很多情况下以作为工业过程的副产物的热水等的形式产生，并且因为这些废物流的温度在很多情况下不足以使用现有的能量回收系统来经济地回收能量而通常作为不可使用的热量被丢掉。

在此优选实施例中，热介质优选地是由压缩机装置压缩的气体流。

在这里，已经加热了压缩机装置中的压缩气体流的压缩热量可以借助于根据发明的能量单元来回收。

此外，在此优选实施例中，所述能量单元优选地设置有两个收集器，所述壳管式热交换器的管在所述两个收集器之间延伸，其中这两个收集器中的每一者设置有两个连接部，分别是用于具有所述热介质的热回路的第一连接部和用于具有所述冷介质的冷回路的第二连接部。

这些收集器提供了热介质和/或冷介质在各种管上的均匀供应和排放，这将改进能量单元中的相变材料的均匀加热和/或冷却。

优选地，所述两个收集器中的每一者的所述两个连接部设置有止回阀，所述止回阀被配置为交替地向所述壳管式热交换器提供热介质和冷介质。

止回阀确保热介质或冷介质流入壳管式热交换器的管中。

通过避免壳管式热交换器的管将同时地接收到热介质和冷介质的供应，保证了在第一腔室中的相变材料的均匀温度和因此均匀密度，因此避免了第一腔室中的主要压力梯度。

本发明还涉及一种用于将热量转换为液压能的装置，其特征在于，所述装置包括一个或多个根据任一前述权利要求所述的能量单元，

其中一个或多个能量单元的每个壳管式热交换器经由阀系统连接到供应温度低于所述相变材料的熔融温度的冷介质的供应源并且连接到供应温度高于所述相变材料的熔融温度的热介质的供应源，其中所述阀系统被配置为使得所述冷介质和所述热介质交替地各自输送通过所述壳管式热交换器一段特定的可调整持续时间。

如果这个装置包括多个能量单元，则这种装置优点在于冷介质和热介质的供应不必交替地接通和断开，而是可以交替地输送到各个能量单元，使得冷介质和热介质的供应可以保持持续地流动，而对于单独的能量单元的运行必要的交替相变将不会停止。

在根据本发明的装置的优选实施例中，一个或多个能量单元的第二腔室连接到用于驱动液压消耗设备的液压回路。

优选地，所述液压消耗设备是用于驱动发电机的液压马达。

这样，所述装置可以产生可用的电能，例如用于驱动装置本身的零件以用于工业设备中的其他附近装置。

在本发明的下一优选实施例中，所述装置包括偶数个能量单元，并且所述阀系统被配置为使得在所述装置的操作期间，每次第一半数量的能量单元具有热介质供应，并且另外的第二半数量的能量单元具有冷介质供应。

这使得冷介质和热介质的供应可以保持以相同的流量流动。

此外，这样始终存在向消耗设备发送液压流体的单元，因此消耗设备可以以更大的规律性被驱动并且始终在相同方向。

在根据本发明的装置的以下优选实施例中，所述阀系统可控制地连接到控制器，所述控制器设置有用于设定所述特定的可调整持续时间的器件，并且还设置有用于交替地将所述冷介质和所述热介质各自在所述特定的可调整持续时间期间输送通过所述壳管式热交换器的算法。

这种控制器将在仅要求人类操作者的最少监督的情况下自动地布置阀系统的控制和操作。

此外，本发明还涉及一种将热量转换为液压能的方法，

其特征在于，使用根据所述实施例中的任一个实施例的能量单元。

不言而喻，这种方法提供与根据本发明的能量单元的所述描述的实施例的优点相同的优点。

在根据本发明的方法的优选实施例中，使用根据所述实施例中的任一实施例的装置，所述装置包括一个或多个根据所述实施例中的任一实施例的能量单元，其中所述阀系统使冷介质和热介质各自在所述特定的可调整持续期间交替地输送通过所述一个或多个能量单元的合适的立方热交换器。

优选地，所述装置包括偶数个能量单元，并且在所述装置的操作期间，每次第一半数量的能量单元各自具有热介质供应，并且另外的第二半数量的能量单元具有冷介质供应。

更优选地，在相同时间且以同时的时段，第一半的能量单元具有热介质供应，并且另外的第二半的能量单元具有冷介质供应，其中所述第一半的能量单元的供应和所述另外的第二半的能量单元的供应同时分别从热介质切换到冷介质以及同时分别从冷介质切换到热介质。

这样，阀系统控制非常简单并且只需要执行最少次数。

替代地，更优选地，在所述特定的可调整持续时间两倍的时段内，所述能量单元以相等的间隔时段相继地从热介质供应切换到冷介质供应，其中所述间隔时段具有等于所述时段除以能量单元的数量的持续时间。

因此，当能量单元从热介质供应切换到冷介质供应(以及冷从热介质供应切换到热介质供应)时发生的任何瞬变现象在以上时段内都均匀地分布且因此分散。因此，每次都向消耗设备传送一致量的液压流体，并且每次都在相同的方向上一致地驱动此消耗设备。

附图说明

为了更好地展示本发明的特性，以下参考附图作描述为没有任何限制性特征的示例的根据本发明的能量单元的一些优选型式，在附图中：

图1是根据本发明的能量单元的透视示意性表示；

图2示出了图1的能量单元的截面图，但具有部分省略；

图3非常示意性地表示根据本发明的装置，该装置设置有根据本发明的能量单元，其中相变材料处于凝固状态；

图4示出了图3的布局，但其中相变材料处于熔融状态；

图5示出了根据本发明的能量单元的替代实施例的截面图。

具体实施方式

在这种情况下，图1所示的能量单元1由管状压力容器2组成，该管状压力容器在两个端部21和22处具有可移除盖3，在这种情况下，该可移除盖被呈螺母形式的保持环4保持在压力容器2中。

压力容器2被配置为承受根据特定应用中的期望压力而变的极高压力，例如高达25,000kPa(250巴)的压力。

由压力容器2和盖3划分的空间借助于管状膜5被分成两个腔室，分别是被膜5本身包围的第一腔室6和围绕膜5在压力容器2与膜5之间延伸的第二腔室7，如在图2中最佳地看出。

膜5由诸如橡胶(例如丁腈橡胶)或弹性体或者复合材料或类似物的不能渗透的弹性材料制成，并且在每一端部处通过在相关的盖3中的自由边缘8密封地安装。

出于该目的，膜5的所述边缘8可以设置有凸台9，该凸台可以用作集成式密封件，并且在图2的实施例中，盖3被实施为两个部分，其中第一部分3A被所述保持环4保持在压力容器2中并且第二部分3B通过所述边缘8的夹持而安装在第一部分3A中或抵靠该第一部分安装，其中膜5的凸台9位于被包封在两个部分3A和3B之间的腔室10中。

每个盖3的第二部分3B通过螺栓11或类似物而被夹持抵靠在第一部分3A上。

密封件12和13设置在盖3和压力容器2与保持环4之间。

膜5在面向第二腔室7的外侧上可以设置有具有一定厚度的一个或多个肋14，在这种情况下是圆周肋14，所述肋可以局部地充当膜5和压力容器2之间的间隔件并且还充当膜5的加强肋14。在所示的示例中，肋14和膜5由相同材料制成整体，但这并不是严格必需的。

类似地，压力容器2在面向膜5的内侧上可以设置有一定厚度的肋15，其中这些肋15优选地也被设计为圆周肋15并且与膜5的对应肋14相对地设置。

另外，能量单元1设置有呈轴向地延伸穿过第一腔室6的管17束形式的壳管式热交换器16。为了清楚地表示，诸如管17的外径和内径的径向尺寸被示出为比实际上更大。

管17可以通过其端部18借助于密封O型环安装在相应的盖3中的通道19中。然而，管17的端部18也可以焊接到相应的盖3中的通道19中。

第一腔室6中的在管17周围的空间填充有相变材料23，当不使用能量单元1时，该相变材料处于凝固状态并且在这种状态下占据在能量单元1是空的并且不在使用时刚好足以填充第一腔室6的容积或者略大于第一腔室6的这个空容积，使得在这种状态下，膜5不在径向方向上张紧或仅稍微地张紧。

管17在压力容器2的两个端部21和22之间形成连接，所述端部21和22可以充当用于冷介质或热介质的入口和/或出口，该冷介质或热介质可以穿过它以加热或冷却相变材料23，以便熔融该相变材料23或允许该相变材料凝固。

当能量单元1在使用中时，第二腔室7填充有来自液压回路31的液压流体24，该液压回路经由两个连接接头25与第二腔室7液压连接，每个连接接头拧入压力容器2的通道26中并且设置有护罩27，该护罩防止膜5在连接接头25或通道26中沿径向方向被推出压力容器2。

膜5用作第一腔室6中的相变材料23与第二腔室7中的液压流体24之间的不可渗透的分离件。

根据本发明的能量单元1的使用非常简单并且下文通过图3来解释，其中能量单元1被示出为根据本发明的装置28的一部分，用于回收来自温度高于相变材料23的熔融温度的热介质的进给部A的热量。

这个热介质供应源A经由阀系统29与能量单元1的端部21连接，而能量单元1的另一端部22与热介质已经输送通过能量单元1的壳管式热交换器16之后的热介质出口B连接。

类似地，能量单元1通过所述阀系统29与冷介质进给部C以及在通过壳管式热交换器16之后的用于相同介质的排放口D连接。

正在被进给的冷介质具有低于相变材料23的熔融温度的温度。

阀系统29使得冷介质和热介质可以交替地输送通过壳管式热交换器16一段特定的可调整持续时间。

阀系统29可控制地连接到控制器20。该控制器20设置有用于设定特定的可调整持续时间的设定工具。此外，这个控制器20设置有用于使冷介质和热介质各自在特定的可调整持续时间期间交替地输送冷通过壳管式热交换器16的算法。

能量单元1还通过连接接头25和另一个阀系统30与用于驱动液压消耗设备32的液压回路31连接，作为示例，该液压消耗设备在这里被表示为用于驱动发电机34的液压马达33。

阀系统30被设计为确保液压回路31中的流体始终在相同方向上循环。

装置28的功能如下。

从如图3所示的状态开始，其中相变材料23例如在约十五秒的初始时段内处于凝固状态，阀系统29被控制成使得，在该时段期间，来自供应源A的热介质通过壳管式热交换器16被传送到排放口B，同时冷介质的入口C和出口D关闭。

热介质的热量将相变材料23加热，使得其开始熔融，因此增大相变材料23的体积并且致使膜5被径向向外推离，从而减小第二腔室7的容积并迫使液压流体24以一定压力离开这个第二腔室7进入液压回路31中，该压力取决于这个液压回路31的液压阻力并且特别地取决于消耗设备32所要求的载荷。

在后续时段期间，如图4所示，现在是冷介质而不是热介质通过阀系统29的合适控制而被输送通过壳管式热交换器16。

这致使熔融的相变材料23凝固并减小体积，从而允许液压流体从液压回路31流回到能量单元1。

这样，能量单元1的功能就像跳动的心脏一样交替地向消耗设备32传送液压油。

在实践中，在液压回路31中具有偶数个能量单元1的装置28每次将被激活时，阀系统29将确保在阀28的操作期间，每次都有第一半数量的能量单元1具有暖介质供应，并且另外的第二半数量的能量单元1具有冷介质供应。

图5示出了能量单元1的变型，其中阀系统29的一部分集成到收集器35中，具有在能量单元1的每个端部21和22处的呈止回阀36形式的双连接器，在设置在每个收集器35中的两个连接部37和38中的每一者中，以用于连接到热回路和冷回路。

尽管在所示的示例中，压力容器2和膜5被实施为同轴圆筒，但不排除允许膜5在相变材料23膨胀时弹性地拉伸的其他形式。

代替使用在熔融时膨胀的相变材料23，不排除使用在熔融时收缩的相变材料。

本发明决不限于作为示例描述且在附图中示出的实施例，而是在不超出权利要求中所限定的本发明的范围的情况下，可以以所有形状和大小实施根据本发明的能量单元。

Claims (36)

1.一种用于将热量转换为液压能的能量单元，

所述能量单元(1)设置有压力容器(2)，

其中所述压力容器(2)包括被不可渗透且弹性的膜分开的两个腔室，分别是：

第一腔室(6)，所述第一腔室填充有相变材料(23)，所述相变材料的密度在从凝固相到熔融相以及从熔融相到凝固相的每个相变时变化，以及

第二腔室(7)，所述第二腔室在使用所述能量单元(1)时填充有液压流体(24)，

其中所述能量单元(1)设置有用于交替地加热和冷却所述相变材料(23)的器件以使所述相变材料(23)交替地从所述凝固相变为所述熔融相以及从所述熔融相变为所述凝固相，以此方式使得所述第一腔室(6)的容积交替地增大和减小，

其中所述压力容器(2)的壁设置有至少一个通道(26)，所述至少一个通道被配置为在所述第一腔室(6)的容积增大和/或容积减小时准许液压流体(24)流分别流出和/或流入所述第二腔室(7)，

其中用于交替地加热和冷却所述相变材料(23)的器件包括壳管式热交换器(16)，

其中所述壳管式热交换器(16)包括穿过填充有所述相变材料(23)的所述第一腔室(6)的一些平直或几乎平直的管(17)，

其特征在于，

所述壳管式热交换器(16)的所述管(17)具有最大3.0毫米的外径。

2.根据权利要求1所述的能量单元，其特征在于，所述壳管式热交换器(16)的所述管(17)具有最大2.5毫米、优选地最大2.0毫米、更优选地最大1.5毫米、甚至更优选地最大1.0毫米的外径。

3.根据权利要求1或2所述的能量单元，其特征在于，所述壳管式热交换器(16)的所述管(17)没有外部翅片。

4.根据前述权利要求1至3中一项所述的能量单元，其特征在于，所述压力容器(2)的壁被实施为围绕纵向轴线的第一管，其中在所述压力容器(2)的两侧上在所述纵向轴线上的开口借助于两个盖(3)气密地密封，所述两个盖在距彼此一定距离处保持在所述压力容器(2)中。

5.根据权利要求4所述的能量单元，其特征在于，所述两个盖(3)中的至少一者是可移除的，优选地两个盖(3)都是可移除的，并且一个或多个密封件(12)设置在每个可移除的盖(3)与所述压力容器(2)之间。

6.根据权利要求4或5所述的能量单元，其特征在于，所述管(17)中的每一个管的第一端(18)密封地安装在所述两个盖(3)中的第一盖(3)中，并且与这个第一端(18)相反的第二端(18)密封地安装在所述两个盖(3)中的与所述第一盖(3)相反的第二盖(3)中。

7.根据前述权利要求4至6中一项所述的能量单元，其特征在于，所述膜(5)被实施为同轴地放置在所述压力容器(2)的壁内的第二管，使得所述第一腔室(6)被所述膜(5)包围，并且所述第二腔室(7)围绕所述膜(5)在所述压力容器(2)的壁与所述膜(5)之间延伸。

8.根据权利要求7所述的能量单元，其特征在于，所述膜(5)通过其自由边缘(8)密封地安装在所述两个盖(3)中或所述盖(3)与所述压力容器(2)的壁之间。

9.根据前述权利要求1至8中一项所述的能量单元，其特征在于，所述相变材料(23)具有在25℃和90℃之间、优选地在25℃和60℃之间的熔融温度。

10.根据权利要求9所述的能量单元，其特征在于，所述相变材料(23)选自包括以下项的组：

-蜡；

-脂肪酸或脂肪酸的混合物、优选地棕榈酸或月桂酸；

-甘油酯或甘油酯的混合物；或者

-这些物质的混合物。

11.根据权利要求9所述的能量单元，其特征在于，所述相变材料(23)是石蜡、优选地具有偶数个碳原子的烷烃或具有偶数个碳原子的烷烃的混合物。

12.根据权利要求11所述的能量单元，其特征在于，所述相变材料(23)是十八烷。

13.根据前述权利要求1至12中一项所述的能量单元，其特征在于，所述壳管式热交换器(16)的所述管(17)由不锈钢、优选地AISI304不锈钢或铜制成。

14.根据前述权利要求1至13中一项所述的能量单元，其特征在于，所述膜(5)由弹性材料制成。

15.根据权利要求14所述的能量单元，其特征在于，所述弹性材料是弹性体或复合材料或橡胶、优选地丁腈橡胶。

16.根据权利要求1至15所述的能量单元，其特征在于，所述壳管式热交换器(16)的所述管(17)被分组成一个或多个模块化单元，其中在每个模块化单元中，所述管(17)围绕这个模块化单元的参考轴线布置。

17.根据权利要求16所述的能量单元，其特征在于，在每个模块化单元中，所述管(17)围绕所述参考轴线平行地布置。

18.根据权利要求16所述的能量单元，其特征在于，在每个模块化单元中，所述管(17)围绕所述参考轴线布置为朝向彼此渐缩。

19.根据权利要求17或18所述的能量单元，其特征在于，在每个模块化单元中，在垂直于所述参考轴线的平面中，所述管(17)的中心根据优选为六边形图案的规则图案布置。

20.根据权利要求19所述的能量单元，其特征在于，在每个模块化单元中，在垂直于所述参考轴线的平面中，相邻的管(17)的中心距彼此固定的第一距离。

21.根据权利要求20所述的能量单元，其特征在于，所述壳管式热交换器(16)的所述管(17)被分组为具有平行取向的参考轴线的多个模块化单元，并且在垂直于所述参考轴线的平面中，在所述多个模块化单元中的一个模块化单元的管(17)与所述多个模块化单元中的相邻的一个模块化单元的管(17)之间的第二距离大于所述第一距离。

22.根据前述权利要求1至21中一项所述的能量单元，其特征在于，所述壳管式热交换器(16)的管(17)具有至少0.075毫米、优选地至少0.080毫米、更优选地至少0.090毫米、甚至更优选地至少0.100毫米的壁厚度。

23.根据权利要求1至22中一项所述的能量单元，其特征在于，所述壳管式热交换器(16)的管(17)被配置为连接到：

-能够使所述相变材料(23)熔融的热介质的供应源和排放口，和/或

-能够使所述相变材料(23)凝固的冷介质的供应源和排放口。

24.根据权利要求23所述的能量单元，其特征在于，所述热介质是由压缩机装置压缩的气体流。

25.根据权利要求23或24所述的能量单元，其特征在于，所述能量单元(1)设置有两个收集器(35)，所述壳管式热交换器(16)的管(17)在所述两个收集器之间延伸，其中这两个收集器(35)中的每一个收集器设置有两个连接部(37、38)，分别是用于与具有所述热介质的热回路连接的第一连接部(37)和用于与具有所述冷介质的冷回路连接的第二连接部(38)。

26.根据权利要求25所述的能量单元，其特征在于，所述两个收集器(35)中的每一个收集器的所述两个连接部(37、38)设置有止回阀(36)，所述止回阀被配置为交替地向所述壳管式热交换器(16)提供热介质和冷介质。

27.一种用于将热量转换为液压能的装置，其特征在于，所述装置(28)包括一个或多个根据前述权利要求1至26中一项所述的能量单元(1)，

其中一个或多个能量单元(1)的每个壳管式热交换器(16)通过阀系统(29)连接到供应温度低于所述相变材料(23)的熔融温度的冷介质的供应源并且连接到供应温度高于所述相变材料(23)的熔融温度的热介质的供应源，其中所述阀系统(29)被配置为使得所述冷介质和所述热介质交替地各自输送通过所述壳管式热交换器(16)一段特定的可调整持续时间。

28.根据权利要求27所述的装置，其特征在于，所述一个或多个能量单元(1)的第二腔室(7)连接到用于驱动液压消耗设备(32)的液压回路(31)。

29.根据权利要求28所述的装置，其特征在于，所述液压消耗设备(32)是用于驱动发电机(34)的液压马达(33)。

30.根据前述权利要求27至29中一项所述的装置，其特征在于，所述装置(28)包括偶数个能量单元(1)，并且所述阀系统(29)被配置为使得在所述装置(28)的操作期间，每次第一半数量的能量单元(1)具有热介质供应，并且另外的第二半数量的能量单元(1)具有冷介质供应。

31.根据前述权利要求27至30中一项所述的装置，其特征在于，所述阀系统(29)与控制器(20)可控制地连接，所述控制器设置有用于设定所述特定的可调整持续时间的调整器件，并且还设置有用于交替地将所述冷介质和所述热介质各自在所述特定的可调整持续时间期间输送通过所述壳管式热交换器(16)的算法。

32.一种用于将热量转换为液压能的方法，

其特征在于，

使用根据前述权利要求1至26中一项所述的能量单元(1)。

33.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，使用根据前述权利要求27至31中一项所述的装置(28)，其中通过所述阀系统(29)，交替地将冷介质和暖介质各自在所述特定的持续期间输送通过所述一个或多个能量单元(1)的所述壳管式热交换器(16)。

34.根据权利要求33所述的方法，其特征在于，所述装置(28)包括偶数个能量单元(1)，并且在所述装置(28)的操作期间，每次第一半数量的能量单元(1)具有热介质供应，并且另外的第二半数量的能量单元(1)具有冷介质供应。

35.根据权利要求34所述的方法，其特征在于，同时地且在一致的时段内，第一半的能量单元(1)具有热介质供应，并且另外的第二半的能量单元(1)具有冷介质供应，其中所述第一半的能量单元(1)的供应和所述另外的第二半的能量单元(1)的供应同时分别从热介质切换到冷介质以及从冷介质切换到热介质。

36.根据权利要求34所述的方法，其特征在于，在所述特定的可调整持续时间两倍的时段内，所述能量单元(1)以相等的间隔时段相继地从热介质供应切换到冷介质供应，其中所述间隔时段具有等于所述时段除以能量单元(1)的数量的持续时间。

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