CN1807849A - 低温热源热动力装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热动力装置，特别是涉及能够利用低温热源、以使低沸点工质在完全封闭状态下进行不断做功和不断自循环的低温热源热动力装置，以及其装置的工作方法。本发明针对现有应用朗肯循环的低温热源热动力机的高泵耗能、低热功效率问题，以及无法方便地对其封闭腔内的发电机进行散热和维修，以及无法方便地对其多套透平机的动力输出轴进行动力合并问题，而设计了由蒸发器、换热器、透平机、散热器、连接管道和阀门等组成的低温热动力发电装置，其通过至少两套热动力机间歇性工作，使隔壁式磁传动动力输出轴不断地输出转动力，负载发电。本发明属非朗肯循环，无泵无耗电，热功效率达75％，使各领域余热有充分的利用价值。

Description

低温热源热动力装置及其工作方法

本发明涉及热动力装置，特别是涉及能够利用低温热源、以使低沸点工质在完全封闭状态下进行不断做功和不断自循环的低温热源热动力装置，以及其装置的工作方法。

截至到目前，利用低温热源、使用低沸点工质、并在封闭状态下进行做功和自循环的热动力装置，都是应用现代蒸汽动力装置的基本热力循环，即朗肯循环，其工作方法就是将蒸发器内的液体工质通过热源加热成高温高压的过热蒸汽，过热蒸汽进入透平机内膨胀做功，将一部分热能转换为推动透平机旋转的动能，成为低温低压蒸汽从透平机排出再进入凝汽器，经冷却后又凝结成液态工质，再用工质泵将液态工质泵入蒸发器内，如此不断循环，就对外不断的输出动力，带动发电机即可发电。其文献如专利号CN96111171.2《利用低温工质制冷发电的方法及制冷发电站》、专利号CN02288206.5《温差发动机组》、专利号CN94115035.6《热能发电机》、专利号03125333.4《热动力装置》等；还有应用在空调器废热利用领域的、以空调的排热为初始低温热源的，如专利号CN02240119.9《利用空调排热的动力装置》；应用在内燃机废热利用领域、以内燃机的燃烧室外壳热和排气热为热源的，如专利号200410030011.0《废热利用系统》、专利号CN01133223.9《内燃机氨冷余热利用节油装置》；以及应用在太阳能热动力领域的、利用小面积光照所收集的低温太阳能热为热源的，如专利号CN02208516.5《太阳能发电装置》、专利号CN02213421.2《太阳能氨热发电装置》、专利号CN03804562.1《废热太阳能系统》、专利号CN98110142.9《一种小型太阳能发电机》等。

总之，不论以上技术文献以及现有已知技术方案，只要其应用的是朗肯循环，或者是应用由朗肯循环改进而成的回热循环和再热循环，都必须使用工质泵来保持整个系统的持续循环，其工质泵不断的将冷凝器内的液态工质泵回到蒸发器内的同时，又要阻止高压的蒸发器向低压的冷凝器发生泄漏，而维持蒸发器内的高压状态，所以就必须要消耗一定的功，这对于正是应用以上技术的火力发电、核能发电、大型太阳能热发电、地热发电等热源温度大于150℃的，尤其是大于300℃至500℃的大型发电设备来说，由于其泵耗能和热散失等损失并不随着其蒸发器内过热蒸汽的蒸汽温度和蒸汽压力的升高而升高，所以只要尽量提高过热蒸汽的蒸汽温度和蒸汽压力，就可以提高整机的热功效率、更高效率的进行发电；但是对于利用低于150℃的尤其是低于100℃的低温热源、而使低沸点工质在封闭状态下进行做功和自循环的热动力设备，由于其并不具备像大型发电设备那样的高温热源和高温高压工作蒸汽，所以如果将以上朗肯循环技术应用于利用低温差进行做功和自循环的热动力设备上，必然造成极低的热功效率，甚至其自身的发电量都无法维持自身的泵耗电量。

例如已有的利用平板式太阳能集热器所产生的温度低于100℃的低温热水、而进行发电的小功率低沸点工质热动力机，其系统效率一般只有5％以下，这尤其表现在随着设备的小型化、热源的低温化而更加严重，使这种利用低热、废热、余热的热动力机失去实用性和经济性。这正是热源温度低于150℃的尤其是低于100℃的低温热，如太阳能热水器、空调废热、低温地热、海洋温差、等领域产生的低热、废热只能用于供暖、制冷、工农业用热和旅游疗养等，而难以用于热动力发电的根本原因。

如我国于70年代在广东丰顺、湖南灰汤、江西宜春、辽宁熊岳及河北怀来等地先后利用67~92℃的地下热水建立一批装机容量仅为50~300kW的所谓“试验性”地热电站，由于效率太低，不久纷纷下马。再如美国洛克希德公司于1979年在夏威夷海域安装一台50千瓦的发电装置，同年8月开始发电。在表层海水温度28℃、深层海水温度7℃时发电功率为53.6千瓦。装置自耗电功率为35.1千瓦，净输出电功率为18.5千瓦，这种发电系统的热效率低，导致部件相应庞大。

另一方面，已有的低沸点工质热动力机都是采用将透平机和发电机安装于同一封闭腔的方法来实现无泄漏，如中国太阳能网于2003年4月25日所报道的美国新南威尔士州的格林里奇公司开发了2KW家用太阳热发电系统。该系统由加入潜热材料蓄热罐、厚绒布、蒸发器的板式热交换器、透平发电机、热煤循环泵等组成。热媒体使用低沸点冷媒，使透平旋转发电。透平发电机收藏在与电冷箱压缩机很相似的壳体内，目前2KW级热发电系统已可望产品化。还有采用双循环有机工质朗肯循环系统的地热发电系统，它以低沸点有机物为工质，使工质在流动系统中从地热流体中获得热量，并产生有机质蒸汽，进而推动透平机旋转，带动发电机发电，其汽轮式的透平机和发电机也是封闭于同一腔内。

上述方法虽然采用将透平机和发电机安装于同一封闭腔的方法来实现了无泄漏，但是却造成了其发电机的散热困难、或者还要单独配备散热系统、受高温影响而加快老化、为了延长寿命减少维修而采用高成本材料、人工维修时需要打开封闭腔所以日常维护困难等问题。以及造成了维修其封闭腔内的发电机时会泄漏部分工质，而且如果将封闭腔采用焊接密封虽然实现了长久不泄漏工质，可是维修时就要用焊或锯的方法来开腔，所以维修困难，而如果将封闭腔采用法兰安装虽然可以相对简单的打开封闭腔，但是由于法兰接合面无法实现完全无缝隙，所以根本无法实现不泄漏工质，即使在法兰内加入软性封闭圈如橡胶材料，其密封寿命由于化学反应和气压因素也是很短的。

另一方面，由于已有的低沸点工质热动力机将透平机和发电机安装于同一封闭腔，所以就无法方便的对多套透平机的动力输出轴进行动力整合，而首先要对金属封闭腔进行开腔改造，才能对动力输出轴进行动力整合。

以上问题也正是造成使用低沸点工质的封闭自循环热动力机的低实用性，而难以进行大规模产业发展的首要原因。以上问题也一直成为封闭式热动力循环发电技术领域的技术难题。

本发明正是针对上述现有应用朗肯循环的低温热源热动力机的高泵耗能、低热功效率问题，以及针对无法方便的对其封闭腔内的发电机进行散热和维修，还有针对无法方便的对其多套透平机的动力输出轴进行动力整合问题，而提供一种不需朗肯循环所必须的工质泵，也不需将发电机安装于透平机的封闭腔内，就可实现利用低温热源、使用低沸点工质、而且使低沸点工质在全封闭状态下进行不断做功和不断自循环、并且能够方便的对其多套透平机的动力输出轴进行动力整合的以实现高热功效率的低温热源热动力机。

本发明的另一目的是提供上述低温热源热动力机的工作方法。

本发明的低温热源热动力机通过以下结构实现：他包括蒸发器101、换热器106、透平机100、动力输出轴117、散热器119、连接管道107、109、102、118、120、和阀门108、110、103、121连接组成，其特征在于：它是由至少两套或多套安装在同一动力输出轴117上的全封闭式热动力机组成，其每套全封闭式热动力机的基本结构都相同，其第一套热动力机是由蒸发器101、换热器106、透平机100、散热器119、连接管道107、109、102、118、120、和阀门108、110、103、121连接组成，其蒸发器101位于换热器106内，蒸发器101、透平机100、和散热器119通过管道102、118、120相连，蒸发器101与透平机100之间的管道102上、以及与散热器119之间的管道120上都有阀门103、121，其换热器106上装有带阀门108、110的换液管道107、109，其散热器119和透平机100在垂直于重心方向上的位置的全部或部分高于蒸发器101；其热动力机的透平机100由外壳111、进气口122、出气口123、叶片轮113、内永磁114、内轴承130、外永磁116、外轴承131组成，其叶片轮113、内永磁114、内轴承130位于透平机外壳111之内，其外永磁116、外轴承131、动力输出轴117位于透平机外壳111之外，其透平机外壳111的导磁部分可以是桶形、平面、或弧形的形状，当其透平机外壳111的导磁部分是桶形时，其至少一块或多块内永磁130固定在叶片轮113的内侧表面，其叶片轮113的桶状内表面的两端通过内轴承130以可以转动的固定在透平机外壳111的桶形内壁上，其至少一块或多块外永磁116固定在动力输出轴117的外表面上，其动力输出轴117通过外轴承131以可以转动的固定在透平机外壳111的桶形外壁上，其位于透平机外壳内的内永磁的部分或全部面积与位于透平机外壳之外的外永磁相对应。

另外为了避免其蒸发器内在工作的过程中存有工质，蒸发器101与透平机100之间还可以装有带阀门105的回液管道104。

为了增加每套热动力机的散热时间，和增加动力输出轴的动力连惯性，可以将2、3、4、5以及更多套热动力机安装在同一动力输出轴117上。

为了减少散热器的散热时间，可以采用水塔式的散热器，可以把多套热动力机的散热器安装在一个水塔散热器内，也可以通过采用增加安装在同一动力输出轴上的热动力机的数量的方法来减小散热器的体积，延长散热时间。

为了提高其动力输出轴的转速稳定性，可以在其动力输出轴上安装惯性轮，这样当热机输出的动力是用于发电时，就会使发电机发出更加稳定的电力。

为了提高其透平机的内永磁与动力输出轴上的外永磁之间的磁强度，可采用具有高磁能级的钕铁硼永磁，也可增大磁块的面积、体积和数量来提高磁强度。

其透平机的内永磁与动力输出轴上的外永磁之间的位置，除了上述的内永磁通过透平机的内壁将动力传递到外永磁外，还可以采用通过透平机的侧壁或外壁将动力输出到外永磁。

本发明的低温热源热动力机的工作方法如下：首先对第一套热动力机作以下操作，把其换热器的换液管道上的阀门打开，并同时将蒸发器与散热器和与透平机之间的管道上的阀门关闭，使温度高于其蒸发器内低沸点工质气化温度的高温液体或蒸汽充满换热器，然后将换热器的换液管道上的阀门关闭，这样通过位于换热器内的蒸发器外壳、就将其蒸发器内的低沸点液体工质加热成高温高压的过热蒸汽，然后再将蒸发器与透平机之间的管道上的阀门打开，使过热蒸汽进入透平机内膨胀做功，如其气体冲击力冲击透平机的叶片，就将带动位于一体的叶片轮以及其内的内永磁进行同时转动，由于受到内永磁的吸引力或排斥力，就使位于透平机封闭腔之外的、并位于动力输出轴外表面的外永磁也随之进行同步的转动，这样和外永磁安装于一体的动力输出轴也在进行旋转，就对外输出了转动力。

由于当蒸发器与散热器的内部气压相等时，第一套热动力机就不再对其动力输出轴做功，所以在第一套热动力机停止对动力输出轴输出动力之前、或者停止对动力输出轴输出动力的同时，第二套热动力机马上又会如第一套热动力机的工作过程一样对其动力输出轴进行做功，此时第一套热动力机的散热器内的工质逐渐凝结成液态工质后，再将连接于蒸发器与散热器和与透平机之间的管道上的阀门打开，使散热器内的液态工质和残留在透平机内的液态工质流回到蒸发器内，由于其换热器内的液体或蒸汽的温度已经由高于其蒸发器内低沸点工质气化的温度，变成了低于其蒸发器内低沸点工质气化的温度，所以蒸发器内的温度并不会对液态工质的流回产生阻力，然后将蒸发器与透平机和与散热器之间管道上的阀门关闭，再打开换热器上换液管道上的阀门，使温度高于其蒸发器内低沸点工质气化温度的高温液体或蒸汽重新充满换热器，同时原来的低温液体或蒸汽也就由换液管道排出，然后再将换热器的换液管道上的阀门关闭，等第二套热动力机就要停止或刚刚停止对动力输出轴做功时，第一套热动力机又会重复上述步骤重新对动力输出轴进行做功，这两套热动力机交替的对动力输出轴做功，这样其动力输出轴就会不断的对外输出转动力，如果带动发电机就可持续不断的发出电力。

如果本发明的低温热源热动力机是采用多套共用同一动力输出轴的、结构相同的热动力机组成，也可以按照上述工作过程逐套进行工作，为了让其动力输出轴不间断的输出转动力，其热动力机在做功前的准备工作应已经全部按步骤完成，如共有四套热动力机安装在同一个动力输出轴上，从第一套开始工作，当第四套完成做功时，此时第一套热动力机已经完成了散热器的散热、低沸点工质的冷凝并回流到蒸发器内、以及换热器的换水过程，然后马上开始对动力输出轴做功，这样就实现了其动力输出轴不间断的输出动力。

另外其换热器的换水工作在有些热源环境可以通过安装在换水管道上的泵来实现，其泵可以通过动力输出轴来带动，也可以使用外接的电力，其换热器的换水工作在有些热源环境也可以不必使用泵，而依靠热源液体或气体本身就具有的流动性来实现，如不需要使用泵的内燃机水冷系统。

如果其散热器内的气态低沸点工质的温度仍然可以使另一种低沸点工质发生过热气化，并且另一种低沸点工质按照上述机械结构和工作过程进行过热气化并膨胀做功后的蒸汽仍然高于环境温度，即能够在环境中散热，那么就可以将第一级热动力机的散热器作为下一级热动力机的换热器，这样多级的热机能够使整机具有更高的热功效率。

本发明的上述工作过程可以采用全自动化电子程控组件来进行控制，如上述阀门可采用电子控制阀门，并且受到程控组件的控制，其换热器的出水管道上可装有温度感应器，当感应到高温液体或高温气体时说明其换热器已经完成换液工作，就可自动关闭换热器上的电子控制阀门再进行下一步的蒸发器蒸发做功工作。再如其蒸发器内可装有液位感应器，当液位感应器感应到液位达到低沸点工质未受热时的高度时，说明低沸点工质由气体冷凝成液体的工作已完成，然后再自动关闭蒸发器的全部电子控制阀门，再自动打开换热器上的电子控制阀门，并进行更换高温液体或气体的工作。

由于本发明实现了其动力输出轴位于透平机封闭腔体之外，其动力输出轴的长度就不会受到封闭腔的限制，这样本发明所述的至少两套或多套低温热动力机就可以共用一个动力输出轴，这样至少两套或多套低温热动力机就可以交替的进行换液、蒸发、做功、冷凝、回流工作，就会使动力输出轴不间断的输出转动力，使连接于动力输出轴的发电机能够受到稳速的转动力而稳定的工作。而且对多套透平机的动力输出轴进行动力整合也会极大的提高低温热源热动力机的热功效率，

由于本发明对当前应用朗肯循环的低温热动力机进行了上述改进，从而使低温热源热动力机不需朗肯循环所必须的工质泵，就可实现利用低温热源、使用低沸点工质、而且在封闭状态下进行不断做功和不断自循环，这样免去了泵耗能，就提高了整机的热功效率，其整机的热功效率即为透平机的热功效率为75％，其整机的热电效率即为透平机与发电机的效率总和75％乘以90％即67.5％，这尤其是对于热源温度低于150℃尤其是低于100℃的低温热源热动力机，其系统效率要远高于目前已有的5％，也就会使这种利用低热、废热、余热的，尤其是小型化的热动力机具有实用性和经济性，而使其可以广泛的应用于如低温地热、海洋温差、住宅小区的大面积太阳能热水器所产生的低温热水等大规模低温热源，中央空调废热、家用空调废热、冰箱废热、等电器废热，汽车、火车、轮船等内燃机废热，钢铁生产、水泥生产、等工业废热，等领域低温热源的高效率化热动力做功或热动力发电成为可能，使绿色能源和清洁能源占有更高的能源结构比例，这在环境不断恶化，能源逐渐紧张的现代是更加重要和迫切。

另一方面，通过上述对整机的透平部分的设计，实现了具有磁传动功能的全封闭透平机，其发电机就可以安装在透平机的封闭腔体之外，而暴露于环境中，其全封闭透平机所产生的转动力通过自身所具有磁传动功能传导到动力输出轴、再传导到与之连接的发电机上即可发电。这样与以往的透平机和发电机安装于同一封闭腔的结构相比，就实现了可以通过简单的方法对发电机进行高效散热，如采用附着于发电机外壳的散热片或直接进行风冷的散热方法，这样也就更有利于延长其发电机的寿命，也不必采用更高成本的材料。而且由于维修发电机时不需要打开透平封闭腔，所以可以方便的进行日常维护，这样即保证了其封闭腔的安全性，也不会泄漏任何的工质，最大程度的避免了泄漏污染。

再一方面，由于其具有磁传动功能的全封闭透平机与其动力输出轴之间只是用轴承进行连接，所以他们就可以方便的安装与拆卸，而且由于其动力输出轴可以保露于环境中，就可以方便的对多套热动力机的动力输出轴进行固定，那么就可以根据热源的情况和负载的需要，并通过上述两种方法方便的对多套热动力机进行动力整合或动力减少，或者对正在工作中的低温热动力机进行方便的输出功率放大或减少，而实现具有高结构和动力灵活性的低温热动力机。

再一方面，由于本发明的实现除了自身的上述结构外，对于外界的需要只有具有温差的环境和重力，这对于至少存在上述两种环境条件的外星球的发电技术、如在月球或火星上发电开辟了新的途径，其成本、造价、以及发电效率等方面要远远优于目前的太阳能电池。

附图说明

下文将结合附图来详细描述本发明。

图1是本发明的低温热源热动力机的实物示意图

图2是第一套热动力机的正视剖面图

图3是第二套热动力机的正视剖面图

图4是图1的正视剖面图

图5是透平机的实物图

图6是透平机的实物分解图

图7是透平机的实物剖面图

图8是透平机的正视剖面图

图9是采用两对磁块的透平机

图10是采用八对磁块的透平机

图11至图15是几种不同磁块形状的透平机的侧视剖面图

图16是利用透平机的侧壁来传导动力的透平机正视剖面图

图17图18图19是图16的具有几种磁块变形的透平机侧视剖面图

图20是利用透平机的外壁来传导动力的透平机侧视剖面图

图21是利用透平机的外壁和侧壁来传导动力的透平机侧视剖面图

图22是无叶片式透平机的正视刨面图

图23是无叶片式透平机的侧视刨面图

具体实施方式应用示例：

如图1、图2、图3所示，将本发明应用在安装有大面积太阳能热水器的居民住宅楼，利用其太阳能热水器所产生的温度不高于90摄氏度的热水进行发电。

所使用的低温热源热动力机是由两套共用同一动力输出轴117的、结构相同的热动力机组成。其第一套热动力机是由蒸发器101、换热器106、透平机100、散热器119、连接管道102、104、118、120，和阀门108、110、103、105、121，组成，其蒸发器101位于换热器106内，蒸发器101通过管道102连接在透平机100上、并通过管道120连接在散热器119上，透平机100通过管道118连接在散热器119在，管道102上装有阀门103，管道104上装有阀门105，管道120上装有阀门121，其换热器106通过装有阀门108的换液管道107和装有阀门110的换液管道109串连连接在太阳能热水器243的储水箱242上，其储水箱242的出水端管道上装有水泵241，其散热器119和透平机100在垂直于重心方向上的位置的全部或部分高于蒸发器101。

其第二套热动力机是由蒸发器201、换热器206、透平机211、散热器219、连接管道202、204、218、220，和阀门208、210、203、205、221，组成，其蒸发器201位于换热器206内，蒸发器201通过管道202连接在透平机211上、并通过管道220连接在散热器219上，透平机211通过管道218连接在散热器219在，管道202上装有阀门203，管道204上装有阀门205，管道220上装有阀门221，其换热器206通过装有阀门208的换液管道207和装有阀门210的换液管道209串连连接在太阳能热水器243的储水箱242上，其储水箱242的出水端管道上装有水泵241，其散热器219和透平机211在垂直于重心方向上的位置的全部或部分高于蒸发器201。

其第一套热动力机的透平机100由进气口122、出气口123、叶片112、叶片轮113、内永磁114、内轴承130、外永磁116、外轴承131、动力输出轴117等组成，其8块长方形状的内永磁114按照均等的间距排列固定在叶片轮113的内侧表面，其叶片轮113的桶状内表面的两端通过内轴承130以可转动的固定在透平机111外壳的内壁上。其8块长方形状的外永磁116按照均等的间距排列固定在动力输出轴117的外表面上，其动力输出轴117的两端通过外轴承131以可转动的固定在外壳内侧的外表面两端上。

其第二套热动力机的透平机211由进气口222、出气口223、叶片212、叶片轮213、内永磁214、内轴承230、外永磁216、外轴承231、动力输出轴117等组成，其8块长方形状的内永磁214按照均等的间距排列固定在叶片轮213的内侧表面，其叶片轮213的桶状内表面的两端通过内轴承230以可转动的固定在透平机211外壳的内壁上。其8块长方形状的外永磁216按照均等的间距排列固定在动力输出轴117的外表面上，其动力输出轴117的两端通过外轴承231以可转动的固定在外壳内侧的外表面两端上。

其动力输出轴上安装有惯性轮239，其动力输出轴的一端连接在发电机240的转子上。

本发明的低温热源热动力机的工作方法如下：首先对第一套热动力机作以下操作，把其换热器106的换液管道107和换液管道109上的阀门108和阀门110打开，并同时将阀门103、105、121关闭，使温度高于其蒸发器101内低沸点工质气化温度的储水箱内的高温水通过泵241充满换热器106，然后将换热器106的换液管道107、109上的阀门108、110关闭，这样通过位于换热器106内的蒸发器101的外壳、就将其蒸发器101内的低沸点液体工质加热成高温高压的过热蒸汽，然后再将蒸发器101与透平机100之间的管道102上的阀门103打开，使过热蒸汽进入透平机100内膨胀做功，其气体冲击力冲击透平机111的叶片112，就将带动位于一体的叶片轮113以及其内的内永磁114进行同时转动，由于受到内永磁114的吸引力或排斥力，就使位于透平机111封闭腔之外的、并位于动力输出轴117外表面的外永磁116也随之进行同步的转动，这样和外永磁116安装于一体的动力输出轴117也在进行旋转，就对外输出了转动力。

当蒸发器101与散热器119的内部气压相等时，第一套热动力机就不再对其动力输出轴117做功，所以在第一套热动力机停止对动力输出轴117输出动力之前、或者停止对动力输出轴117输出动力的同时，第二套热动力机此时已经完成了如第一套热动力机做功之前的工作过程，而马上又会如第一套热动力机的工作过程一样对其动力输出轴117进行做功，此时第一套热动力机的散热器119内的工质逐渐凝结成液态工质后，再将连接于蒸发器101与散热器119和与透平机100之间的管道上的阀门103、105、121打开，使散热器119内的液态工质和残留在透平机100内的液态工质流回到蒸发器101内，由于其换热器106内的液体或蒸汽的温度已经由高于其蒸发器101内低沸点工质气化的温度，变成了低于其蒸发器101内低沸点工质气化的温度，所以蒸发器101内的温度并不会对液态工质的流回产生阻力，然后将蒸发器101与透平机100和与散热器119之间管道上的阀门103、105、121关闭，再打开换热器106上换液管道107、109上的阀门108、110，使温度高于其蒸发器101内低沸点工质气化温度的高温液体或蒸汽从换液管道107进入并重新充满换热器106，同时原来的低温液体或蒸汽也就由换液管道109排回到储水箱242中，然后再将换热器106的换液管道107、109上的阀门108、110关闭，等第二套热动力机就要停止或刚刚停止对动力输出轴117做功时，第一套热动力机又会重新对动力输出轴117进行做功，这两套热动力机交替的对动力输出轴117做功，这样其动力输出轴117就会不断的对外输出转动力，带动发电机240就持续不断的发出电力，并且由于惯性轮239的惯力稳速作用，使发电机240能够发出更加稳定的电力。

为了让其动力输出轴117不间断的输出转动力，其热动力机在做功前的准备工作应已经全部按步骤完成，当第二套完成做功时，此时第一套热动力机已经完成了散热器119的散热、低沸点工质的冷凝并回流到蒸发器101内、以及换热器106的换水过程，然后马上开始对动力输出轴117做功，这样就实现了其动力输出轴117不间断的输出动力。

另外其换热器106和换热器206的换水工作是通过安装在换水管道107上的泵241来实现，也可以通过太阳能热水器的内部自流现象来完成(当太阳能热水器在受太阳光照而对其内部的水进行加热时，热水总是不停的作上升运动，同时储水箱内的冷水总是不停的作向下运动)，当使用泵241来进行换水工作时，其泵241可以通过动力输出轴117来带动，也可以使用外接的电力。

另外为了减少散热器的散热时间，可以采用水塔式的散热器，可以把多套热动力机的散热器安装在一个水塔散热器内，也可以通过采用增加安装在同一动力输出轴上的热动力机的数量的方法来减小散热器的体积，延长散热时间。

为了提高其透平机的内永磁与动力输出轴上的外永磁之间的磁强度，可采用具有高磁能级的钕铁硼永磁，也可增大磁块的面积、体积和数量来提高磁强度，如图9和图10所示：其内永磁116与外永磁114可以采用数量相等的二块，也可以采用数量相等的八块。

如图11、图12、图13、图14、图15所示，其透平机100的内永磁114和动力输出轴117上的外永磁116可以采用各种变形来增加磁接触面积。

如图16、图17、图18、图19、图20、图21所示，它包括透平机151、叶片152、内磁块153、磁块座154、叶片轮155、轴承156、外磁块158、磁块座157、轴承159、动力输出轴160组成，其透平机151的内永磁153与动力输出轴160上的外永磁158之间的位置，除了上述的内永磁114通过透平机100的内壁将动力传递到外永磁116外，还可以采用通过透平机151的侧壁或外壁将动力输出到外永磁158。而且其透平机151的内永磁153和外永磁158可以采用各种变形来增加磁接触面积。

如图22、图23所示，其透平机也可以采用无叶片式的设计，如无叶片的气孔式气轮512。

上述工作过程可以采用全自动化电子程控组件来进行控制，如上述阀门可采用电子控制阀门，并且受到程控组件的控制，其换热器的出水管道上可装有温度感应器，当感应到高温液体或高温气体时说明其换热器已经完成换液工作，就可自动关闭换热器上的电子控制阀门再进行下一步的蒸发器蒸发做功工作。再如其蒸发器内可装有液位感应器，当液位感应器感应到液位达到低沸点工质未受热时的高度时，说明低沸点工质由气体冷凝成液体的工作已完成，然后再自动关闭蒸发器的全部电子控制阀门，再自动打开换热器上的电子控制阀门，并进行更换高温液体或气体的工作。

如果其散热器内的气态低沸点工质的温度仍然可以使另一种低沸点工质发生过热气化，并且另一种低沸点工质按照上述机械结构和工作过程进行过热气化并膨胀做功后的蒸汽仍然高于环境温度，即能够在环境中散热，那么就可以将第一套热动力机或第二套热动力机的散热器作为下一级热动力机的换热器，这样多级的热机能够使整机具有更高的热功效率。

当将本发明应用在低温地热、海洋温差、住宅小区的大面积太阳能热水器所产生的低温热水等大规模低温热源，中央空调废热、家用空调废热、冰箱废热、等电器废热，汽车、火车、轮船等内燃机废热，钢铁生产、水泥生产、等工业废热时，其热动力机的尺寸、输出功率、使用何种低沸点工质、散热器的体积及散热速度、每套热机的做功时间、和作用于同一动力输出轴的热机的套数，以及是否需要使用换液泵，可根据热源的温度和热量、负载所需要的最大动力、热源液体或蒸汽是否具有流动性、使用环境的体积、重量、噪音、污染等限制，等因素来充分考虑而设计。

例如当将本发明应用在小区太阳能低温热水发电时，由于北方日照时间短，就可以增加太阳能热水器的数量以增加热水量，再增加作用于同一动力输出轴的热机套输以增加发电功率，而南方的日照时间较长，气温较高，则可以相对减少太阳能热水器的面积，并采用高效率的水塔式散热。当将本发明应用在中央空调或家用空调的废热做功或发电时，可将原有的空调散热器换成很小体积的散热器，并安装在储水箱内，此储水箱内的热水即是热机的热源，按照本发明的机械结构和工作方法，使热机进行不断做功或发电，其热机散热器的散热速度越快，空调散热器的体积就可以更小，空调的制冷效率就更高，如果将此热机所产生的转动力或电力供给此空调的压缩机时，那么其制冷效率必然会极大的提高，这也是具有高废热的电器领域实现高效率化高节能化发展的必然趋势。

当将本发明应用在汽车的内燃机废热做功或发电时，原有的由水箱向环境空气散热改为由热机的散热器向环境空气散热，而原有的内燃机水箱则用来给多套热机的换热器进行换水供热，其水箱内的热水即是热机的热源，所以可以减小原内燃机水箱的体积，并将热机安装在汽车的某个部位，按照本发明的机械结构和工作方法，使热机进行不断做功或发电。由于热机的蒸发器大量吸收换热器内热水的热量，使其换热器内热水的温度远低于内燃机水箱的温度，所以当换热器的阀门打开时，冷热水之间便产生强烈的自流和融合现象，而不必采用换液泵来进行换水工作。为了提高热源的热量，可以将内燃机的排气筒的表面用水箱或水管进行包附，水箱或水管的另一端则连接在水箱上，这样排气筒的尾气热也被收集作为热机的热源。其热机产生的动力如果与内燃机的动力相结合，必然会大大提高内燃机的效率，或者用于车用空调的动力源，也会改善小型车空调动力不足的问题，而大大改善车内舒适度。

以上所诉的仅是本发明的优选实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变形和改进，也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.低温热源热动力装置，包括蒸发器(101)、换热器(106)、透平机(100)、动力输出轴(117)、散热器(119)、连接管道(107、109、102、118、120)、和阀门(108、110、103、121)连接组成，其特征在于：它是由至少两套或多套安装在同一动力输出轴(117)上的全封闭式热动力机组成，其每套全封闭式热动力机的基本结构都相同，其第一套热动力机是由蒸发器(101)、换热器(106)、透平机(100)、散热器(119)、连接管道(107、109、102、118、120)、和阀门(108、110、103、121)连接组成，其蒸发器(101)位于换热器(106)内，蒸发器(101)、透平机(100)、和散热器(119)通过管道(102、118、120)相连，蒸发器(101)与透平机(100)之间的管道(102)上、以及与散热器(119)之间的管道(120)上都有阀门(103、121)，其换热器(106)上装有带阀门(108、110)的换液管道(107、109)，其散热器(119)和透平机(100)在垂直于重心方向上的位置的全部或部分高于蒸发器(101)；其热动力机的透平机(100)由外壳(111)、进气口(122)、出气口(123)、叶片轮(113)、内永磁(114)、内轴承(130)、外永磁(116)、外轴承(131)组成，其叶片轮(113)、内永磁(114)、内轴承(130)位于透平机外壳(111)之内，其外永磁(116)、外轴承(131)、动力输出轴(117)位于透平机外壳(111)之外，其透平机外壳(111)的导磁部分可以是桶形、平面、或弧形的形状，当其透平机外壳(111)的导磁部分是桶形时，其至少一块或多块内永磁(130)固定在叶片轮(113)的内侧表面，其叶片轮(113)的桶状内表面的两端通过内轴承(130)以可以转动的固定在透平机外壳(111)的桶形内壁上，其至少一块或多块外永磁(116)固定在动力输出轴(117)的外表面上，其动力输出轴(117)通过外轴承(131)以可以转动的固定在透平机外壳(111)的桶形外壁上，其位于透平机外壳内的内永磁的部分或全部面积与位于透平机外壳之外的外永磁相对应。

2.如权利要求1所诉的低温热源热动力机，其特征在于蒸发器(101)与透平机(100)之间还有带阀门(105)的回液管道(104)。

3.如权利要求1所诉的低温热源热动力机，其特征在于其动力输出轴(117)上有惯性轮(239)。

4.如权利要求1所诉的低温热源热动力机，其特征在于可以采用2、3、4、5以及更多套共用同一动力输出轴(117)的热动力机组成。

5.如权利要求1所诉的低温热源热动力机，其特征在于其内永磁(130)或外永磁(131)可采用具有高磁能级的钕铁硼永磁，也可采用更大面积、体积或更多数量的磁块来提高磁强度。

6.如权利要求1所诉的低温热源热动力机，其特征在于其散热器(119)可以采用水塔式的散热器，或者把多套热动力机的散热器安装于一个水塔散热器内。

7.本发明低温热源热动力装置的工作方法：首先对第一套热动力机作以下操作，把其换热器(106)的换液管道(107、109)上的阀门(108、110)打开，并同时将蒸发器(101)与散热器(119)和与透平机(100)之间的管道上的阀门(103、121)关闭，使温度高于其蒸发器(101)内低沸点工质气化温度的高温液体或蒸汽充满换热器(106)，然后将换热器(106)的换液管道上的阀门(108、110)关闭，这样通过位于换热器(106)内的蒸发器(101)外壳、就将其蒸发器(101)内的低沸点液体工质加热成高温高压的过热蒸汽，然后再将蒸发器(101)与透平机(100)之间的管道上的阀门(103)打开，使过热蒸汽进入透平机(100)内膨胀做功，其气体冲击力冲击透平机(100)的叶片，就将带动位于一体的叶片轮(113)以及其内的内永磁(114)进行同时转动，由于受到内永磁(114)的吸引力或排斥力，就使位于透平机(100)封闭腔之外的、并位于动力输出轴(117)外表面的外永磁(116)也随之进行同步的转动，这样和外永磁(116)安装于一体的动力输出轴(117)也在进行旋转，就对外输出了转动力；由于当蒸发器(101)与散热器(119)的内部气压相等时，第一套热动力机就不再对其动力输出轴(117)做功，所以在第一套热动力机停止对动力输出轴(117)输出动力之前、或者停止对动力输出轴(117)输出动力的同时，第二套热动力机马上又会如第一套热动力机的工作过程一样对其动力输出轴(117)进行做功，此时第一套热动力机的散热器(119)内的工质逐渐凝结成液态工质后，再将连接于蒸发器(101)与散热器(119)和与透平机(100)之间的管道上的阀门(103、121)打开，使散热器(119)内的液态工质和残留在透平机(100)内的液态工质流回到蒸发器(101)内，由于其换热器(106)内的液体或蒸汽的温度已经由高于其蒸发器(101)内低沸点工质气化的温度，变成了低于其蒸发器(101)内低沸点工质气化的温度，所以蒸发器(101)内的温度并不会对液态工质的流回产生阻力，然后将蒸发器(101)与透平机(100)和与散热器(119)之间管道上的阀门(103、121)关闭，再打开换热器(106)上换液管道上的阀门(108、110)，使温度高于其蒸发器(101)内低沸点工质气化温度的高温液体或蒸汽重新充满换热器(106)，同时原来的低温液体或蒸汽也就由换液管道(107或109)排出，然后再将换热器(106)的换液管道上的阀门(108、110)关闭，等第二套热动力机就要停止或刚刚停止对动力输出轴(117)做功时，第一套热动力机又会重复上述步骤重新对动力输出轴(117)进行做功，这两套热动力机交替的对动力输出轴(117)做功，这样其动力输出轴(117)就会不断的对外输出转动力，如果带动发电机(240)就可持续不断的发出电力。

8.如权利要求7所诉的低温热源热动力机的工作方法，其特征在于如果本发明的低温热源热动力机是采用多套共用同一动力输出轴(117)的、结构相同的热动力机组成，也可以按照上述工作过程逐套进行工作，为了让其动力输出轴(117)不间断的输出转动力，其热动力机在做功前的准备工作应已经全部按步骤完成，如共有四套热动力机安装在同一个动力输出轴(117)上，从第一套开始工作，当第四套完成做功时，此时第一套热动力机已经完成了散热器(119)的散热、低沸点工质的冷凝并回流到蒸发器(101)内、以及换热器(106)的换水过程，然后马上开始对动力输出轴(117)做功，这样就实现了其动力输出轴(117)不间断的输出动力。

9.如权利要求7所诉的低温热源热动力机的工作方法，其特征在于其换热器(106)的换水工作在有些热源环境可以通过安装在换水管道上的泵(241)来实现，其泵(241)可以通过动力输出轴(117)来带动，也可以使用外接的电力，其换热器(106)的换水工作在有些热源环境也可以不必使用泵(241)，而依靠热源液体或气体本身就具有的流动性来实现，如不需要使用泵(241)的内燃机水冷系统。

10.如权利要求7所诉的低温热源热动力机的工作方法，其特征在于其透平机(100)的内永磁(114)与动力输出轴(117)上的外永磁(116)之间的位置，除了上述的内永磁(114)通过透平机(100)的内壁将动力传递到外永磁(116)外，还可以采用通过透平机(100)的侧壁或外壁将动力输出到外永磁(116)。

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