專利名稱：具有加熱結(jié)構(gòu)的渦卷式膨脹機(jī)和使用該膨脹機(jī)的渦卷式熱交換系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種渦卷式(scroll-type)膨脹機(jī)和一種渦卷式壓縮機(jī)，更具體地說，涉及這樣一種渦卷式膨脹機(jī)和渦卷式壓縮機(jī)，其包括用以連續(xù)進(jìn)行工作流體的膨脹和壓縮的一固定渦卷構(gòu)件和一繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件。本發(fā)明還涉及一種用作史特林(Stirling)發(fā)動(dòng)機(jī)或致冷器的渦卷式熱交換系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一渦卷式膨脹機(jī)和一渦卷式壓縮機(jī)。
背景技術(shù)：
渦卷式裝置具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括效率高、噪音低、振動(dòng)性低、尺寸小和重量輕。由于這些優(yōu)點(diǎn)，渦卷式裝置被廣泛應(yīng)用，如渦卷式壓縮機(jī)。
更詳細(xì)地說，如圖1所示，繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件40和漸開線形式的固定渦卷構(gòu)件30以180°的相位差設(shè)置。從而，在該渦卷式壓縮機(jī)中形成一系列月牙形的穴。氣體經(jīng)過位于固定渦卷構(gòu)件30周邊的進(jìn)氣通道流入渦卷式壓縮機(jī)，而且月牙形的穴通過繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件40的繞轉(zhuǎn)作用向兩個(gè)渦卷30和40的中央移動(dòng)。所述穴的容積經(jīng)這種作用而減小，從而氣體被壓縮。然后，氣體通過形成在固定渦卷構(gòu)件30中央的排氣口排出。在各繞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)期間，數(shù)個(gè)月牙形的穴被同時(shí)壓縮，因此操作是連續(xù)的。
在渦卷式膨脹機(jī)中，渦卷式壓縮機(jī)只是反向操作，而使氣體膨脹。即，高壓氣體被供給固定渦卷構(gòu)件30的中央，從而移動(dòng)繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件40，以實(shí)現(xiàn)氣體膨脹，所述氣體然后通過固定渦卷構(gòu)件30的周邊開口排出。動(dòng)能通過繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件40的繞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。
與其它類型的壓縮機(jī)相比，渦卷式壓縮機(jī)需要較少的元件，小且重量輕，而且具有高效、低振動(dòng)和低噪音的其它優(yōu)點(diǎn)。因此，渦卷式壓縮機(jī)廣泛用作致冷壓縮機(jī)和空氣壓縮機(jī)。另一方面，渦卷式膨脹機(jī)沒有得到廣泛應(yīng)用。
作為一種傳統(tǒng)的膨脹機(jī)，美國(guó)專利US4,192,152公開了一種可以用作壓縮機(jī)和膨脹機(jī)的帶有外部驅(qū)動(dòng)的渦卷式裝置，和一種組合壓縮機(jī)、燃燒器和膨脹機(jī)的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，而且還公開了一種組合壓縮機(jī)和膨脹機(jī)的布雷(Brayton)頓循環(huán)型冷卻循環(huán)。另外，歐洲專利EP 0846843A1公開了一種組合壓縮機(jī)、致冷器、燃燒器和膨脹機(jī)的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。另外，最近在美國(guó)公開了一種使用渦卷式膨脹機(jī)代替蒸汽機(jī)的蒸汽循環(huán)(蘭金(Rankine)系統(tǒng))。
但是，至今所公開的涉及渦卷式膨脹機(jī)的專利和研究中，高壓氣體或蒸汽被供給渦卷式膨脹機(jī)的中央?yún)^(qū)域，以與傳統(tǒng)渦輪機(jī)中一樣產(chǎn)生動(dòng)能。因此，由供給氣體或蒸汽時(shí)的壓力損失引起效率降低，這樣當(dāng)壓縮效率高達(dá)90％時(shí)，膨脹效率僅為約60％～70％。另外，在傳統(tǒng)的渦卷式膨脹機(jī)中，固定渦卷構(gòu)件和繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件之間的溫度差變大，且在同一渦卷殼自身內(nèi)出現(xiàn)溫度梯度。這些因素導(dǎo)致由產(chǎn)生的摩擦、泄漏和增加的振動(dòng)引起的效率降低。
史特靈發(fā)動(dòng)機(jī)為一種外燃機(jī)，其包括多個(gè)加熱和冷卻封閉的原料氣的熱交換器。多數(shù)史特靈發(fā)動(dòng)機(jī)為往復(fù)活塞型的外燃機(jī)。
因?yàn)槭诽仂`發(fā)動(dòng)機(jī)為外燃機(jī)，所以它可以使用不同的熱源，如液體燃料、氣體燃料、固體燃料、工業(yè)廢能、太陽能和液化天然氣(LNG)。由于在加熱器和冷卻器之間安裝有回?zé)崞?regeneration)，史特靈發(fā)動(dòng)機(jī)提供高的效率。另外，由于史特靈發(fā)動(dòng)機(jī)不包括閥并實(shí)現(xiàn)平滑的壓力變化，所以相校內(nèi)燃機(jī)，產(chǎn)生的噪音和振動(dòng)程度低。另外，由于在史特靈發(fā)動(dòng)機(jī)中發(fā)生連續(xù)的燃燒，所以燃燒控制容易，且排出氣體比較干凈，從而可以將史特靈發(fā)動(dòng)機(jī)可作為未來廣泛應(yīng)用的候選物。
參照?qǐng)D8，示出一種傳統(tǒng)史特靈發(fā)動(dòng)機(jī)200的基本結(jié)構(gòu)，膨脹活塞201和壓縮活塞203以約90°的相位差連接到一公共曲軸上。膨脹空間205和壓縮空間207被形成并連接到回?zé)崞?09，該回?zé)崞?09充滿具有氣體滲透性的熱能存儲(chǔ)物質(zhì)。對(duì)于這種結(jié)構(gòu)，由于難以通過小傳熱面積的氣缸壁實(shí)現(xiàn)工作氣體的充分加熱和冷卻，所以在回?zé)崞?09的相對(duì)側(cè)設(shè)置一冷卻器212和一加熱器214，如圖9所示。
為了簡(jiǎn)化機(jī)械構(gòu)造并減少往復(fù)史特靈發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，美國(guó)專利US6,109,040公開了一種結(jié)構(gòu)，其使用兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的汪克爾(Wankel)轉(zhuǎn)子并提供和往復(fù)史特靈發(fā)動(dòng)機(jī)中相同的相位差，從而壓縮和膨脹得以交替實(shí)現(xiàn)。
由于兩個(gè)活塞在氣缸中同步但異相地往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所以當(dāng)容積和壓力從最大變到最小并順序經(jīng)歷史特靈循環(huán)的四個(gè)過程時(shí)，工作氣體從一個(gè)空間到另一空間周期性地來回運(yùn)動(dòng)，而且由于通過位于壓縮氣缸和膨脹氣缸之間的回?zé)崞鞯拿}動(dòng)流量，工作流體產(chǎn)生壓力損失，因此旋轉(zhuǎn)速度的增加導(dǎo)致了扭距的降低。另外，因?yàn)橥ㄟ^小傳熱面積的氣缸壁難以實(shí)現(xiàn)工作氣體的充分加熱和冷卻，所以回?zé)崞?09的兩側(cè)設(shè)置冷卻器212和加熱器214，如圖9所示，而且必須使用一種低分子量的氣體，如氫或氦，作為工作氣體。但是，在低分子量的氣體被用作工作氣體時(shí)，容易發(fā)生泄漏，因此使用一種高性能的氣體密封非常重要。
參照?qǐng)D10和11，一種理想的史特靈循環(huán)包括處于低溫壓縮部分223時(shí)的等溫壓縮(I-II)，經(jīng)過回?zé)崞?21時(shí)的等容加熱(II-III)，處于高溫膨脹部分224時(shí)的等溫膨脹(III-IV)，和經(jīng)過回?zé)崞?21時(shí)的等容排熱(IV-I)。但是，實(shí)際的循環(huán)更象圖12中所示的，其比理想情況的效率低很多。下面將說明理想的史特靈循環(huán)和實(shí)際循環(huán)之間的這種差別的原因，和實(shí)現(xiàn)理想循環(huán)的困難。
首先，為了實(shí)現(xiàn)理想史特靈循環(huán)的等溫壓縮(I-II)和等溫膨脹(III-IV)部分，必須發(fā)生通過氣缸壁內(nèi)表面的快速熱傳遞。但是，即使在氣缸外側(cè)安裝足夠多的傳熱銷，由于與工作氣體接觸的氣缸壁的內(nèi)表面的面積是有限的，所以也難以等溫地加熱或冷卻工作氣體。如果使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行更快和尺寸更大，這更成為問題，在所述情況下，氣缸內(nèi)的過程變得比等溫(無窮熱傳遞)的更絕熱(沒有熱傳遞)。
為此，在回?zé)崞?09的相對(duì)端安裝有附加的加熱器214和冷卻器212，以確保工作氣體的有效加熱和冷卻。盡管加熱器214和冷卻器212考慮到工作氣體的有效加熱和冷卻來增加功率系數(shù)，但是這種熱交換器的設(shè)置帶來如下一些損失。
具體地，包括加熱器214、回?zé)崞?09和冷卻器212的無用容積的增加降低了輸出。另外，它導(dǎo)致了反常情況，其中膨脹的工作氣體在于回?zé)崞?09中放出熱量之前從加熱器214獲得熱量，且其中壓縮氣體不得不在返回回?zé)崞?09以獲取熱量之前經(jīng)過冷卻器212。結(jié)果，流阻增加，熱效率降低。另外，施加給構(gòu)件的熱應(yīng)力增加，因此必須謹(jǐn)慎地選擇構(gòu)件的材料，而且在制造裝置時(shí)還帶來其它限制。
在圖10所示的理想史特靈循環(huán)中，由于活塞225和227的運(yùn)動(dòng)是不連續(xù)的，只有壓縮出現(xiàn)在低溫壓縮部分223中，而且只有膨脹出現(xiàn)在高溫膨脹部分224中。但是，在圖9所示的實(shí)際的往復(fù)史特靈發(fā)動(dòng)機(jī)中，壓縮活塞203和膨脹活塞201被連接在一起，以共同運(yùn)動(dòng)，因此在通過低溫部分的壓縮活塞203的壓縮期間，也略微發(fā)生由高溫部分的膨脹活塞201的操作引起的壓縮。同樣，在高溫部分的膨脹活塞201的膨脹期間，也略微發(fā)生由低溫部分的壓縮活塞203的操作引起的膨脹。這是為什么實(shí)際史特靈發(fā)動(dòng)機(jī)的效率比理想卡諾熱機(jī)(Carnot engine)的效率低得多的另一個(gè)主要原因。
蒸汽循環(huán)包括四個(gè)連續(xù)變化。它們包括工作流體的加熱、蒸發(fā)、膨脹和冷凝。蘭金循環(huán)為工作流體的壓力和溫度變化的理想循環(huán)過程，并被用作評(píng)價(jià)蒸氣動(dòng)力設(shè)備性能的標(biāo)準(zhǔn)。
參照?qǐng)D13，蒸汽機(jī)300通常包括一供水泵303(絕熱壓縮)、一鍋爐305和一再加熱器307(等壓加熱)、渦輪309和312(絕熱膨脹)、和一冷凝器301(等壓熱輻射)。蒸汽渦輪機(jī)通常主要被蒸汽機(jī)中的動(dòng)力輸出裝置使用，其中所述蒸汽機(jī)用作外燃機(jī)。蒸汽渦輪機(jī)將熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，以使高速蒸汽撞擊渦輪而獲得該渦輪的旋轉(zhuǎn)力。
作為一種提高蒸汽循環(huán)中的效率的方式，參照?qǐng)D13，使用再加熱器307，而且膨脹階段的蒸汽在飽和之前被抽出到渦輪309的外側(cè)，并在再加熱器307中被加熱后成為過熱蒸汽。所述蒸汽被再次導(dǎo)向渦輪312以使用再加熱循環(huán)，該循環(huán)使蒸汽膨脹，直到達(dá)到輸出壓力。通過增加再加熱階段的數(shù)量，可以提高熱效率。但是，如果增加再加熱階段的數(shù)量，那么流體需要在鍋爐305和渦輪309及312之間循環(huán)，組件的整體尺寸和設(shè)備成本增加，而且操作控制變得復(fù)雜化。因此，再加熱通常進(jìn)行一到兩次，其在蒸汽循環(huán)的效率方面有局限性。
在往復(fù)活塞或汪克爾旋轉(zhuǎn)裝置中，其為用作代替蒸汽渦輪309和312的外燃機(jī)的傳統(tǒng)正排量膨脹機(jī)，由于與容量增加時(shí)的容積相比，通過氣缸壁的傳熱面積減小，所以效率與裝置尺寸的增加成比例地降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種渦卷式膨脹機(jī)，其同時(shí)進(jìn)行膨脹和再加熱，從而實(shí)現(xiàn)了接近等溫膨脹的高效膨脹，并且這樣沒有由壓力損失引起的效率降低，其中該壓力損失發(fā)生在將如氣體或蒸汽的工作流體供給渦卷式膨脹機(jī)的中央?yún)^(qū)域的期間；而且其使固定渦卷構(gòu)件和繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件及渦卷殼的溫度分布之間的溫差最小。
本發(fā)明還涉及一種使用渦卷式膨脹機(jī)的熱交換系統(tǒng)，其用一對(duì)渦卷式壓縮機(jī)和膨脹機(jī)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)往復(fù)史特靈發(fā)動(dòng)機(jī)或致冷器中的活塞，從而該熱交換系統(tǒng)可以被用作史特靈發(fā)動(dòng)機(jī)或致冷器。
本發(fā)明還提供一種蒸汽機(jī)，其中傳統(tǒng)蒸汽機(jī)(蘭金循環(huán))中的蒸汽渦輪機(jī)用渦卷式膨脹機(jī)代替，從而蒸汽循環(huán)具有再加熱循環(huán)和再生循環(huán)。
在一實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種渦卷式膨脹機(jī)，其包括一密封的殼體，該殼體具有一朝向外部區(qū)域的加熱表面并在中央?yún)^(qū)域和周邊區(qū)域處都包括至少一個(gè)流入開口和排出開口；固定渦卷構(gòu)件，其固定在殼體內(nèi)部并從殼體的中央?yún)^(qū)域以螺旋狀向外延伸；繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件，其在殼體內(nèi)與固定渦卷構(gòu)件配合并從殼體的中央?yún)^(qū)域以螺旋狀向外延伸，所述繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件沿預(yù)定的繞轉(zhuǎn)半徑作繞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以連續(xù)地膨脹進(jìn)入殼體的工作流體；加熱室，其設(shè)置到殼體的外周并在工作流體由繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)而膨脹時(shí)提供熱量；和驅(qū)動(dòng)軸，其連接到繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件，以驅(qū)動(dòng)所述渦卷構(gòu)件。
渦卷式膨脹機(jī)還包括一預(yù)熱管，所述預(yù)熱管連接到殼體中央?yún)^(qū)域的工作流體流入開口并延伸如加熱室而通過加熱室，從而進(jìn)入加熱室的工作流體可以吸收熱量；和多個(gè)形成于設(shè)在加熱室內(nèi)的殼體外加熱表面的加熱銷。
一動(dòng)力傳遞軸可以連接到驅(qū)動(dòng)軸之一的外側(cè)，以便能將動(dòng)力傳遞到渦卷式膨脹機(jī)的外側(cè)。
渦卷式膨脹機(jī)還包括作為傳熱組件的加熱管，其連接到加熱室并能通過潛熱造成的低溫差傳遞大量熱量。
所述蒸汽機(jī)包括一個(gè)如上所述的渦卷式膨脹機(jī)；一個(gè)熱交換器，在渦卷式膨脹機(jī)中膨脹并從該渦卷式膨脹機(jī)排出的高溫工作流體經(jīng)過該熱交換器；一個(gè)冷凝器，用于冷凝經(jīng)過熱交換器的工作流體；一個(gè)儲(chǔ)存罐，用于儲(chǔ)存經(jīng)過冷凝器的工作流體；和一個(gè)泵，用于加壓經(jīng)過儲(chǔ)存罐的工作流體。在泵中加壓的工作流體再次循環(huán)經(jīng)過熱交換器，以從高溫?zé)嵩唇邮諢崃俊?br> 對(duì)于本發(fā)明的渦卷式膨脹機(jī)，加熱、膨脹和再加熱發(fā)生在膨脹機(jī)本身內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)了緊湊的結(jié)構(gòu)，而且實(shí)現(xiàn)了接近無限級(jí)再加熱循環(huán)的等溫膨脹。
所述渦卷式熱交換系統(tǒng)包括一渦卷式壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)包括一密封殼體，該殼體具有一熱輻射表面并在中央?yún)^(qū)域和周邊區(qū)域處都具有至少一個(gè)流入開口和排出開口；一固定渦卷構(gòu)件，其固定在殼體內(nèi)部并從殼體的中央?yún)^(qū)域以螺旋狀向外延伸；和一繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件，其在殼體內(nèi)與固定渦卷構(gòu)件配合并從殼體的中央?yún)^(qū)域以螺旋狀向外延伸，該繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件沿預(yù)定的繞轉(zhuǎn)半徑作繞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以連續(xù)地壓縮進(jìn)入殼體的工作流體，所述系統(tǒng)還包括一渦卷式膨脹機(jī)，該膨脹機(jī)包括一密封殼體，該殼體具有一加熱表面并在中央?yún)^(qū)域和周邊區(qū)域處都包括至少一個(gè)流入開口和排出開口；一固定渦卷構(gòu)件，其固定在殼體內(nèi)部并從殼體的中央?yún)^(qū)域以螺旋狀向外延伸；和一繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件，其在殼體內(nèi)與固定渦卷構(gòu)件配合并從殼體的中央?yún)^(qū)域以螺旋狀向外延伸，該繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件沿預(yù)定的繞轉(zhuǎn)半徑作繞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以連續(xù)地膨脹進(jìn)入殼體的工作流體，所述系統(tǒng)還包括下述裝置一驅(qū)動(dòng)器，其連接到渦卷式壓縮機(jī)和渦卷式膨脹機(jī)的各繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件上，以驅(qū)動(dòng)繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件；一第一連接器，其連接位于渦卷式壓縮機(jī)和渦卷式膨脹機(jī)的外部區(qū)域處的工作流體排出和流入開口；一第二連接器，其連接位于渦卷式壓縮機(jī)和渦卷式膨脹機(jī)的中央?yún)^(qū)域處的工作流體排出和流入開口；一回?zé)崞鳎谝缓偷诙B接器以彼此鄰近的狀態(tài)通過該回?zé)崞?，以?shí)現(xiàn)經(jīng)過第一和第二連接器的工作流體之間的熱交換；和工作流體，其在渦卷式壓縮機(jī)中被壓縮，通過渦卷式壓縮機(jī)中央?yún)^(qū)域處的排出開口排出，經(jīng)第二連接器通過回?zé)崞鳎缓蠼?jīng)渦卷式膨脹機(jī)中央?yún)^(qū)域處的流入開口供給，之后，工作流體在渦卷式膨脹機(jī)中經(jīng)歷膨脹，并通過渦卷式膨脹機(jī)外部區(qū)域處的排出開口排出，經(jīng)第一連接器通過回?zé)崞鳎⑼ㄟ^渦卷式壓縮機(jī)外部區(qū)域處的流入開口供給，從而實(shí)現(xiàn)工作流體經(jīng)過熱交換系統(tǒng)的循環(huán)。
渦卷式熱交換系統(tǒng)還可以包括一冷卻部，其設(shè)于殼體上圍繞渦卷式壓縮機(jī)的外周周圍，以便工作流體壓縮時(shí)產(chǎn)生的熱被向外排出；和一加熱部，其設(shè)于殼體上圍繞渦卷式膨脹機(jī)的外周周圍，以便在工作流體膨脹期間供給熱量。
渦卷式熱交換系統(tǒng)還可以包括一冷卻器，其連接到設(shè)置在渦卷式壓縮機(jī)的外部區(qū)域處的工作流體流入開口，并用于冷卻經(jīng)過回?zé)崞髦蟊还┙o渦卷式壓縮機(jī)的工作流體；和一加熱器，其連接到設(shè)置在渦卷式膨脹機(jī)的中央?yún)^(qū)域處的工作流體排出開口，并用于加熱經(jīng)過回?zé)崞髦蟊还┙o渦卷式膨脹機(jī)的工作流體。
渦卷式熱交換系統(tǒng)還可以包括一旁通管路，其連通位于離殼體中央?yún)^(qū)域預(yù)定距離的中央壓縮區(qū)域和連接到中央?yún)^(qū)域的工作流體排出開口處的連接器之間的區(qū)域；和一控制閥，其安裝在旁通管路上，用以控制旁通的流體量，以改變壓縮量。
當(dāng)比渦卷式壓縮機(jī)溫度高的溫度的熱量供給渦卷式膨脹機(jī)時(shí)，所述渦卷式熱交換系統(tǒng)可以用作發(fā)動(dòng)機(jī)，且動(dòng)力從連接到渦卷式膨脹機(jī)和渦卷式壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)器輸出。另外，當(dāng)動(dòng)力輸入至連接于渦卷式膨脹機(jī)和渦卷式壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)器時(shí)，所述渦卷式熱交換系統(tǒng)可以用作致冷器，而且比渦卷式壓縮機(jī)溫度低的溫度的熱量在渦卷式膨脹機(jī)中被吸收。
在本發(fā)明的渦卷式熱交換系統(tǒng)中，機(jī)械構(gòu)造簡(jiǎn)單，而且壓縮和膨脹被連續(xù)地進(jìn)行，所以扭距幾乎沒有變化，而且工作流體的流動(dòng)方向沒有改變。因此，可以如此實(shí)現(xiàn)流動(dòng)線路和回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)，而使流阻較小。
另外，由于與壓縮機(jī)和膨脹機(jī)中的工作流體接觸的傳熱面積相當(dāng)大，所以接近理想史特靈循環(huán)的高效等溫壓縮和膨脹是可能的，而且加熱器和冷卻器可以作得較小或者完全除去，從而減少無用容積，以提高輸出。最后，通過最小化或消除對(duì)加熱器的需要可以降低整體的制造成本。
在本發(fā)明的渦卷式熱交換系統(tǒng)中，由于工作流體流動(dòng)是單向的，所以在加熱器中加熱的工作流體在膨脹后不進(jìn)行再加熱，而且在冷卻器中冷卻的工作流體在壓縮后不進(jìn)行再冷卻，從而可降低由反常情況引起的熱損失、流阻、熱應(yīng)力等。
另外，由于低溫壓縮和高溫膨脹作為完全獨(dú)立的過程實(shí)現(xiàn)，所以可以得到接近理想循環(huán)的高效率。另外，由壓縮機(jī)中的旁通管路進(jìn)行的壓縮比控制是容易的，所以可進(jìn)行有效的發(fā)動(dòng)機(jī)控制。
最后，在本發(fā)明的渦卷式熱交換系統(tǒng)中，由于連續(xù)、穩(wěn)態(tài)的驅(qū)動(dòng)是可能的，所以在構(gòu)件中幾乎沒有周期性的溫度和壓力變化，從而對(duì)構(gòu)件的材料選擇和加工的限制得以顯著減少，并因此可以實(shí)現(xiàn)低噪音、低振動(dòng)、小尺寸和輕量化。


圖1為表示固定渦卷構(gòu)件和繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件之間相互作用的示意圖，用于說明渦卷式壓縮機(jī)的操作。
圖2為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的渦卷式膨脹機(jī)的剖視圖。
圖3為根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的渦卷式熱交換系統(tǒng)的示意圖。
圖4為帶有連接到其上的冷卻器和加熱器的、根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的渦卷式熱交換系統(tǒng)的示意圖。
圖5為根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的渦卷式熱交換系統(tǒng)的剖視圖。
圖6為根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的渦卷式熱交換系統(tǒng)的示意圖。
圖7為根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例連接到旁通管路上的渦卷式裝置的示意圖。
圖8為傳統(tǒng)的往復(fù)史特靈發(fā)動(dòng)機(jī)的示意圖。
圖9為帶有加熱器和冷卻器的傳統(tǒng)往復(fù)史特靈發(fā)動(dòng)機(jī)的示意圖。
圖10為用于描述理想史特靈循環(huán)中的順序過程的示意圖。
圖11為理想史特靈循環(huán)的壓強(qiáng)-體積(P-V)圖。
圖12為實(shí)際史特靈循環(huán)的壓強(qiáng)-體積(P-V)圖。
圖13為使用再加熱循環(huán)的傳統(tǒng)蘭金系統(tǒng)的示意圖。
圖14為包括根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的渦卷式膨脹機(jī)的蒸汽機(jī)的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
參照?qǐng)D2，根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例的渦卷式膨脹機(jī)10包括設(shè)置在殼體12內(nèi)的固定渦卷構(gòu)件13和繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件15，而且它進(jìn)行流入渦卷式膨脹機(jī)10的工作流體的膨脹，然后將所述工作流體從殼體12排出。
殼體12包括一朝向外側(cè)的加熱表面；兩個(gè)朝向中央?yún)^(qū)域的流入開口27，其用作工作流體的入口，該流入開口27設(shè)置在上部和下部區(qū)域處；和一排出開口23，其容許工作流體排出到殼體12外。
固定渦卷構(gòu)件13固定到殼體12的內(nèi)表面并從殼體12的中央?yún)^(qū)域以螺旋狀向外延伸。一對(duì)固定渦卷構(gòu)件13以對(duì)置的結(jié)構(gòu)設(shè)置。固定渦卷構(gòu)件13的中央與殼體12的流入開口27對(duì)應(yīng)。
繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件15在殼體12內(nèi)與固定渦卷構(gòu)件13配合，而且其也從殼體12的中央?yún)^(qū)域以螺旋狀向外延伸。繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件15沿預(yù)定的繞轉(zhuǎn)半徑作繞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以連續(xù)地膨脹進(jìn)入殼體12的工作流體。一對(duì)繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件15安裝在所述對(duì)相對(duì)置的固定渦卷構(gòu)件13之間，且一個(gè)繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件15與一個(gè)固定渦卷構(gòu)件13相配合。
加熱室17設(shè)置在殼體12的外周。當(dāng)工作流體通過繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件15的運(yùn)動(dòng)膨脹時(shí)，加熱室17將熱量供給到殼體12的內(nèi)部。
在加熱室17中可以設(shè)置加熱管(未示出)，以便有足夠的傳熱和均勻的溫度分布。加熱管能通過潛熱造成的低溫差傳遞大量熱量。
預(yù)熱管25連接到流入開口27并延伸到加熱室17中。預(yù)熱管25通過加熱室17，以便進(jìn)入加熱室17的工作流體可以吸收熱量。
另外，在殼體12的外加熱表面設(shè)有多個(gè)加熱銷19，所述表面位于加熱室17內(nèi)。加熱銷19增加了相對(duì)殼體12的傳熱率。
驅(qū)動(dòng)軸29連接到繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件15，以驅(qū)動(dòng)所述構(gòu)件。其中的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)軸29連接到繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件15的兩端。動(dòng)力傳遞軸32連接到其中的一個(gè)驅(qū)動(dòng)軸29上，以使動(dòng)力傳遞到渦卷式膨脹機(jī)10的外部。一軸承組件34安裝在驅(qū)動(dòng)軸29連接處，以承受旋轉(zhuǎn)。
另外，一密封件36設(shè)置在驅(qū)動(dòng)軸29的各連接區(qū)域處。密封件36防止?jié)櫥偷男孤Ａ硗?，在軸承組件34和殼體12之間形設(shè)有一隔熱部件38，以防止軸承組件34過熱。
經(jīng)預(yù)熱管25供給的工作流體在經(jīng)過預(yù)熱管25的同時(shí)經(jīng)歷初始的加熱過程，并通過流入開口27供到殼體12內(nèi)部。然后，工作流體在經(jīng)過繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件15和固定渦卷構(gòu)件13之間時(shí)慢慢膨脹。在此過程期間，工作流體由殼體12的大加熱表面和渦卷殼的有效供給熱量再次加熱，從而實(shí)現(xiàn)接近等溫膨脹的高效膨脹。以此方式，膨脹的工作流體通過排出開口23排到殼體12外部。
當(dāng)渦卷式膨脹機(jī)10的溫度比供給的工作流體的溫度低時(shí)，本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的渦卷式膨脹機(jī)10還可以用作致冷器的渦卷式膨脹機(jī)，該致冷器吸收由外部動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的渦卷式膨脹機(jī)10中的熱量。
參照?qǐng)D3，根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實(shí)施例的渦卷式熱交換系統(tǒng)100的基本結(jié)構(gòu)包括一渦卷式壓縮機(jī)112、一渦卷式膨脹機(jī)132和一回?zé)崞?20。渦卷式壓縮機(jī)112和渦卷式膨脹機(jī)132通過第一連接器121和第二連接器123相互連接。
渦卷式壓縮機(jī)112包括設(shè)置在殼體113內(nèi)的固定渦卷構(gòu)件114和繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件116，用于壓縮進(jìn)入渦卷式壓縮機(jī)112的工作流體并將壓縮的工作流體經(jīng)中央?yún)^(qū)域排出。殼體113包括一個(gè)位于外部區(qū)域的工作流體流入開口和一個(gè)位于中央?yún)^(qū)域的工作流體排出開口，而且另外從外部密封。固定渦卷構(gòu)件114固定在殼體113內(nèi)并從殼體113的中央?yún)^(qū)域以螺旋狀向外延伸。繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件116在殼體113內(nèi)與固定渦卷構(gòu)件114配合，并也從殼體113的中央?yún)^(qū)域以螺旋狀向外延伸。繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件116在固定渦卷構(gòu)件114形成的空間中沿預(yù)定的繞轉(zhuǎn)半徑作繞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以連續(xù)地壓縮進(jìn)入殼體113的工作流體。
一冷卻部118設(shè)于圍繞渦卷式壓縮機(jī)112的殼體113的外周周圍。該冷卻部118容許壓縮工作流體時(shí)產(chǎn)生的熱量被排到外部。為了實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)，殼體113具有朝向其外部區(qū)域的熱輻射表面。
渦卷式膨脹機(jī)132包括設(shè)置在殼體133內(nèi)的固定渦卷構(gòu)件134和繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件136，用于膨脹進(jìn)入渦卷式膨脹機(jī)132的工作流體并將膨脹的工作流體排出。殼體133包括一個(gè)位于中央?yún)^(qū)域的工作流體流入開口和一個(gè)位于外部區(qū)域的工作流體排出開口，而且另外從外部密封。固定渦卷構(gòu)件134固定在殼體133內(nèi)并從殼體133的中央?yún)^(qū)域以螺旋狀向外延伸。繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件136在殼體133內(nèi)與固定渦卷構(gòu)件134配合，并也從殼體133的中央?yún)^(qū)域以螺旋狀向外延伸。繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件136在固定渦卷構(gòu)件134形成的空間中沿預(yù)定的繞轉(zhuǎn)半徑繞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以連續(xù)地膨脹進(jìn)入殼體133的工作流體。
一加熱部138設(shè)于圍繞渦卷式膨脹機(jī)132的殼體133的外周周圍。該加熱部118容許在工作流體的膨脹期間供給熱量，而且為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)，殼體133具有朝向其外部區(qū)域的加熱表面。
渦卷式壓縮機(jī)112和渦卷式膨脹機(jī)132的各繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件116和136分別連接到一驅(qū)動(dòng)器(未示出)上，從而繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件116和136可以進(jìn)行繞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
如上所述，渦卷式壓縮機(jī)112和渦卷式膨脹機(jī)132通過第一連接器121和第二連接器123相互連接。詳細(xì)來說，第一連接器121將渦卷式壓縮機(jī)112和渦卷式膨脹機(jī)132外部區(qū)域處的工作流體排出和流入開口連接起來，而第二連接器123將渦卷式壓縮機(jī)112和渦卷式膨脹機(jī)132中央?yún)^(qū)域處的工作流體排出和流入開口連接起來。
在回?zé)崞?20中通過以這種方式構(gòu)造的第一和第二連接器121和123實(shí)現(xiàn)熱交換。第一和第二連接器121和123以彼此相鄰的狀態(tài)通過回?zé)崞?20，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)過第一和第二連接器121和123的工作流體之間的熱交換。
工作流體在渦卷式壓縮機(jī)112中被壓縮，然后經(jīng)過渦卷式壓縮機(jī)112中央?yún)^(qū)域處的排出開口排出，經(jīng)第二連接器123通過回?zé)崞?20，然后經(jīng)過渦卷式膨脹機(jī)132中央?yún)^(qū)域處的流入開口供給。所述工作流體然后在渦卷式膨脹機(jī)132中膨脹，經(jīng)過渦卷式膨脹機(jī)132外部區(qū)域處的排出開口排出，經(jīng)第一連接器121通過回?zé)崞?20，然后經(jīng)過渦卷式壓縮機(jī)112外部區(qū)域處的流入開口供給壓縮機(jī)。重復(fù)該過程，以實(shí)現(xiàn)工作流體經(jīng)過熱交換系統(tǒng)100的循環(huán)。
參照?qǐng)D4，根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的渦卷式熱交換系統(tǒng)100中可以進(jìn)一步包括冷卻器125和加熱器127。
冷卻器125連接到設(shè)置于渦卷式壓縮機(jī)112外部區(qū)域的工作流體流入開口，用于冷卻經(jīng)過回?zé)崞?20之后供給渦卷式壓縮機(jī)112的工作流體。加熱器127連接到設(shè)置于渦卷式膨脹機(jī)132中央?yún)^(qū)域的工作流體排出開口，用于加熱經(jīng)過回?zé)崞?20之后供給渦卷式膨脹機(jī)132的工作流體。
當(dāng)渦卷式膨脹機(jī)132的溫度比渦卷式壓縮機(jī)112的溫度高時(shí)，渦卷式熱交換系統(tǒng)100用作發(fā)動(dòng)機(jī)，從而以史特靈發(fā)動(dòng)機(jī)的方式在渦卷式膨脹機(jī)132中接收熱量并在渦卷式壓縮機(jī)112中排出熱量。另外，熱量從膨脹后的工作流體傳遞給壓縮后的工作流體，而且動(dòng)力經(jīng)一驅(qū)動(dòng)器輸出。
另一方面，如果渦卷式膨脹機(jī)132的溫度比渦卷式壓縮機(jī)112的溫度低，渦卷式熱交換系統(tǒng)100用作致冷器，從而經(jīng)驅(qū)動(dòng)器接收外部動(dòng)力，并以史特靈致冷器的方式從渦卷式膨脹器132接收熱量并從渦卷式壓縮機(jī)輸出熱量。另外，熱量從壓縮后的工作流體傳遞給膨脹后的工作流體。
圖5為根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的渦卷式熱交換系統(tǒng)的剖視圖。
參照該圖，根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的渦卷式熱交換系統(tǒng)140基本具有和根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的渦卷式熱交換系統(tǒng)100相同的結(jié)構(gòu)。但是，在渦卷式壓縮機(jī)141的殼體142中設(shè)置有一對(duì)固定渦卷構(gòu)件143和一對(duì)繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件145，在渦卷式膨脹機(jī)151的殼體152中設(shè)置有一對(duì)固定渦卷構(gòu)件153和一對(duì)繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件155，從而，不會(huì)產(chǎn)生傾覆力矩。
在渦卷式壓縮機(jī)141的殼體142的外表面形成若干冷卻銷149，在渦卷式膨脹機(jī)151的殼體152的外表面形成若干加熱銷159，從而更好地進(jìn)行冷卻和加熱。
渦卷式壓縮機(jī)141和渦卷式膨脹機(jī)151的繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件145和155分別各自連接到兩個(gè)驅(qū)動(dòng)軸165上，以驅(qū)動(dòng)它們。連接到渦卷式壓縮機(jī)141的繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件145上的第一驅(qū)動(dòng)軸部分165a和連接到渦卷式膨脹機(jī)151的繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件155上的第二驅(qū)動(dòng)軸部分165b異相180°。這種結(jié)構(gòu)用于使旋轉(zhuǎn)力引起的不平衡性最小。
所述兩個(gè)驅(qū)動(dòng)軸165由帶或鏈連接，以同步旋轉(zhuǎn)。另外，驅(qū)動(dòng)軸165通過從渦卷式熱交換系統(tǒng)140向外延伸的動(dòng)力傳動(dòng)軸167將動(dòng)力傳遞到外部。一軸承組件169安裝在驅(qū)動(dòng)軸165連接處，以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。
在根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的熱交換系統(tǒng)140中，工作流體因通過回?zé)崞?60和冷卻室147而被再次冷卻。另外，工作流體通過第一連接器161流入渦卷式壓縮機(jī)141中，以由繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件145的運(yùn)動(dòng)而壓縮。在壓縮期間，工作流體在對(duì)應(yīng)形成冷卻室147處的同一區(qū)域中由形成在殼體142上的冷卻銷149再次冷卻。
以此方式壓縮的工作流體通過第二連接器162經(jīng)過回?zé)崞?60，以實(shí)現(xiàn)與經(jīng)過第一連接器161的高溫工作流體的熱交換，從而被加熱。接著，工作流體經(jīng)過加熱室157以再次加熱，然后供給到渦卷式膨脹機(jī)151內(nèi)側(cè)，以在作用于繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件155的同時(shí)被膨脹。膨脹期間，工作流體在對(duì)應(yīng)形成加熱室157處的同一區(qū)域由形成在殼體152上的加熱銷159再次加熱。
以此方式膨脹的工作流體再經(jīng)第一連接器161通過回?zé)崞?60，以實(shí)現(xiàn)與經(jīng)過第二連接器162的低溫工作流體的熱交換，從而被冷卻。接著，該工作流體被供應(yīng)到渦卷式壓縮機(jī)141的內(nèi)部，完成循環(huán)。
渦卷式壓縮機(jī)141的上和下冷卻室147相互連接，而且渦卷式膨脹機(jī)151的上和下加熱室157相互連接。另外，通過渦卷式壓縮機(jī)141的上和下中央?yún)^(qū)域排出的工作流體被合并，用于供給回?zé)崞?60，而且從回?zé)崞?60供給渦卷式膨脹機(jī)151的工作流體也被合并。
圖6是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的渦卷式熱交換系統(tǒng)的示意圖。
參照該圖，在根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的熱交換系統(tǒng)中，在該系統(tǒng)的中間區(qū)域設(shè)置一中央渦卷式壓縮機(jī)172。另外，比中央渦卷式壓縮機(jī)172溫度高的第一渦卷式膨脹機(jī)174連接于該壓縮機(jī)的一側(cè)，比渦卷式壓縮機(jī)172溫度低的第二渦卷式膨脹機(jī)176連接于該壓縮機(jī)的一側(cè)。以此方式構(gòu)造的熱交換系統(tǒng)可以用作由史特靈發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的史特靈致冷器。
即，高溫第一渦卷式膨脹機(jī)174和渦卷式壓縮機(jī)172的組合用作史特靈發(fā)動(dòng)機(jī)，低溫第二渦卷式膨脹機(jī)176和渦卷式壓縮機(jī)172的組合用作史特靈致冷器。
通過結(jié)合使用第一渦卷式膨脹機(jī)174和第二渦卷式膨脹機(jī)176可以實(shí)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)，其中兩者均具有用于渦卷式壓縮機(jī)172工作流體的流入和排出開口。因此，工作流體在渦卷式壓縮機(jī)172中被壓縮，然后通過中央?yún)^(qū)域的排出開口排出。部分工作流體通過第二連接器182，然后通過第一回?zé)崞?85，之后，所述工作流體流入第一渦卷式膨脹機(jī)174的中央?yún)^(qū)域流入開口，以在其中被膨脹。所述工作流體然后經(jīng)外周的排出開口排出，通過第一連接器181和第一回?zé)崞?85，并流入渦卷式壓縮機(jī)172外周的流入開口，從而實(shí)現(xiàn)通過該系統(tǒng)的循環(huán)。另一部分工作流體經(jīng)過第四連接器184和第二回?zé)崞?86，流入第二渦卷式膨脹機(jī)176中央?yún)^(qū)域的流入開口，以在其中被膨脹。所述工作流體然后經(jīng)外周的排出開口排出，通過第三連接器183和第二回?zé)崞?86，流入渦卷式壓縮機(jī)172外周的流入開口，從而實(shí)現(xiàn)通過該系統(tǒng)的循環(huán)。
通過公同使用用于史特靈發(fā)動(dòng)機(jī)和史特靈致冷器的渦卷式壓縮機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)由史特靈發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的史特靈致冷器的緊湊結(jié)構(gòu)。另外，由于致冷驅(qū)動(dòng)后剩余的動(dòng)力可以用于使用發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，所以可以實(shí)現(xiàn)這樣一種系統(tǒng)，其即能實(shí)現(xiàn)空調(diào)，又能實(shí)現(xiàn)發(fā)電。
圖7為根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例的、連接到旁通管路上的渦卷式組件的示意圖。
在用于往復(fù)史特靈裝置的傳統(tǒng)控制方法中，盡管作為行程調(diào)節(jié)的結(jié)果，存在內(nèi)部工作氣體壓力變化，無用容積控制和壓縮比變化，但是整個(gè)裝置復(fù)雜且成本高。參照?qǐng)D7，在用于使用渦卷式裝置的史特靈循環(huán)裝置的控制方法中，通過控制渦卷式壓縮機(jī)的固定渦卷構(gòu)件191的中央壓縮區(qū)域處的旁通管路193控制壓縮能力。因此，易于控制壓縮量。從而快速并有效實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)控制。
所述中央壓縮區(qū)域位于距渦卷式壓縮機(jī)中央?yún)^(qū)域預(yù)定距離處。另外，旁通管路193連通一連接器，該連接器連接于渦卷式壓縮機(jī)的中央?yún)^(qū)域和所述中央壓縮區(qū)域。一控制閥195設(shè)置在旁通管路193上，以控制被旁通的流體量。
圖14為包括根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的渦卷式膨脹機(jī)的蒸汽機(jī)的剖視圖。
參照該圖，除了渦卷式膨脹機(jī)410之外，該蒸汽機(jī)包括熱交換器440、冷凝器441、儲(chǔ)存罐443和泵445。
渦卷式膨脹機(jī)410的排出開口423連接于熱交換器440，以便在渦卷式膨脹機(jī)410中膨脹并從其排出的高溫工作流體經(jīng)過熱交換器440。該熱交換器440還連接于冷凝器441。
經(jīng)過熱交換器440的工作流體流入冷凝器441，以在其中冷凝。冷凝器441還連接于儲(chǔ)存罐443，以便經(jīng)過冷凝器441的工作流體可臨時(shí)儲(chǔ)存在儲(chǔ)存罐443中。儲(chǔ)存罐443連接于泵445，用于作為氣體-水分離器，以提高泵445的壓縮效率并補(bǔ)充工作流體。
泵445用于加壓從儲(chǔ)存罐443供給的工作流體。泵445還被連接到熱交換器440。
在泵445中加壓的工作流體在經(jīng)過熱交換器440時(shí)通過從渦卷式膨脹機(jī)410排出的高溫工作流體接收熱量而被加熱。以此方式加熱的工作流體通過一預(yù)熱管425供給渦卷式膨脹機(jī)410。
具有如上構(gòu)造的渦卷式膨脹機(jī)的蒸汽機(jī)與使用再生循環(huán)和無限級(jí)再加熱循環(huán)的蒸汽渦輪機(jī)蘭金系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)相同。
盡管上面已經(jīng)詳細(xì)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但是對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，應(yīng)該清楚地理解，此處給出的基本創(chuàng)造性觀點(diǎn)的許多變化和/或變型仍將落在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，正如所附權(quán)利要求中所限定的。
權(quán)利要求
1.一種渦卷式膨脹機(jī)，包括一密封殼體，該殼體具有一朝向外部區(qū)域的加熱表面并在中央?yún)^(qū)域和周邊區(qū)域處都包括至少一個(gè)流入開口和排出開口；至少一個(gè)固定渦卷構(gòu)件，其固定在殼體內(nèi)部并從殼體的中央?yún)^(qū)域以螺旋狀向外延伸；至少一個(gè)繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件，其在殼體內(nèi)與固定渦卷構(gòu)件配合并從殼體的中央?yún)^(qū)域以螺旋狀向外延伸，所述繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件沿預(yù)定的繞轉(zhuǎn)半徑作繞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而連續(xù)地膨脹進(jìn)入殼體的工作流體；加熱室，其設(shè)置于殼體的外周并在工作流體由繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)而膨脹時(shí)提供熱量；和驅(qū)動(dòng)軸，其連接于繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件，而驅(qū)動(dòng)所述繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件。
2.如權(quán)利要求1所述的渦卷式膨脹機(jī)，其特征在于，還包括一預(yù)熱管，所述預(yù)熱管連接于殼體中央?yún)^(qū)域的工作流體流入開口并延伸到加熱室中并通過所述加熱室，使得進(jìn)入加熱室的工作流體可以吸收熱量。
3.如權(quán)利要求1所述的渦卷式膨脹機(jī)，其特征在于，還包括加熱管，所述加熱管連接于所述加熱室并能通過潛熱造成的低溫差傳遞大量熱量。
4.如權(quán)利要求1所述的渦卷式膨脹機(jī)，其特征在于，還包括多個(gè)設(shè)在位于所述加熱室內(nèi)的殼體的外加熱表面的加熱銷。
5.如權(quán)利要求1所述的渦卷式膨脹機(jī)，其特征在于，還包括一動(dòng)力傳遞軸，所述動(dòng)力傳遞軸連接于其中一個(gè)所述驅(qū)動(dòng)軸的外側(cè)，以便能將動(dòng)力傳遞到所述渦卷式膨脹機(jī)外。
6.如權(quán)利要求1所述的渦卷式膨脹機(jī)，其特征在于所述繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件連接于至少其中兩個(gè)驅(qū)動(dòng)軸上，以由所述驅(qū)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)。
7.如權(quán)利要求1所述的渦卷式膨脹機(jī)，其特征在于所述殼體中設(shè)有一對(duì)彼此相對(duì)的固定渦卷構(gòu)件，所述殼體中設(shè)有一對(duì)與所述固定渦卷構(gòu)件相配合的繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件。
8.如權(quán)利要求1所述的渦卷式膨脹機(jī)，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)軸與殼體的各連接區(qū)域處設(shè)有一軸密封件，所述密封件提供潤(rùn)滑密封。
9.如權(quán)利要求1所述的渦卷式膨脹機(jī)，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)軸連接于殼體處安裝有一軸承組件，而且所述驅(qū)動(dòng)軸連接于殼體處設(shè)有一隔熱部件，以防止軸承組件過熱并防止熱量從殼體內(nèi)部散失。
10.一種渦卷式熱交換系統(tǒng)，包括一渦卷式壓縮機(jī)，所述壓縮機(jī)包括一密封殼體，所述殼體具有一熱輻射表面并在中央?yún)^(qū)域和周邊區(qū)域處都具有至少一個(gè)工作流體流入開口和排出開口；一固定渦卷構(gòu)件，其固定在殼體內(nèi)部并從殼體的中央?yún)^(qū)域以螺旋狀向外延伸；和一繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件，其在殼體內(nèi)與固定渦卷構(gòu)件配合并從殼體的中央?yún)^(qū)域以螺旋狀向外延伸，所述繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件沿預(yù)定的繞轉(zhuǎn)半徑作繞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而連續(xù)地壓縮進(jìn)入所述殼體的工作流體；一渦卷式膨脹機(jī)，所述膨脹機(jī)包括一密封殼體，所述殼體具有一加熱表面并在中央?yún)^(qū)域和周邊區(qū)域處都具有至少一個(gè)工作流體流入開口和排出開口；一固定渦卷構(gòu)件，其固定在殼體內(nèi)部并從殼體的中央?yún)^(qū)域以螺旋狀向外延伸；和一繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件，其在殼體內(nèi)與所述固定渦卷構(gòu)件配合并從殼體的中央?yún)^(qū)域以螺旋狀向外延伸，所述繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件沿預(yù)定的繞轉(zhuǎn)半徑作繞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而連續(xù)地膨脹進(jìn)入殼體的工作流體；一驅(qū)動(dòng)器，其連接于所述渦卷式壓縮機(jī)和渦卷式膨脹機(jī)的各繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件上，以驅(qū)動(dòng)所述繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件；一第一連接器，其連接著位于所述渦卷式壓縮機(jī)和渦卷式膨脹機(jī)的外部區(qū)域處的工作流體排出和流入開口；一第二連接器，其連接著位于渦卷式壓縮機(jī)和渦卷式膨脹機(jī)的中央?yún)^(qū)域處的工作流體排出和流入開口；一回?zé)崞?，第一和第二連接器以彼此鄰近的狀態(tài)通過該回?zé)崞鳎鴮?shí)現(xiàn)經(jīng)過第一和第二連接器的工作流體之間的熱交換；和工作流體，其在渦卷式壓縮機(jī)中受壓縮，通過渦卷式壓縮機(jī)中央?yún)^(qū)域處的排出開口排出，經(jīng)第二連接器通過回?zé)崞?，然后?jīng)渦卷式膨脹機(jī)中央?yún)^(qū)域處的流入開口供給，之后，工作流體在渦卷式膨脹機(jī)中經(jīng)歷膨脹，并通過渦卷式膨脹機(jī)外部區(qū)域處的排出開口排出，經(jīng)第一連接器通過回?zé)崞?，并通過渦卷式壓縮機(jī)外部區(qū)域處的流入開口供給，而實(shí)現(xiàn)工作流體經(jīng)過熱交換系統(tǒng)的循環(huán)。
11.如權(quán)利要求10所述的渦卷式熱交換系統(tǒng)，其特征在于，還包括一冷卻部，所述冷卻部設(shè)于殼體上圍繞渦卷式壓縮機(jī)的外周周圍，使工作流體壓縮時(shí)產(chǎn)生的熱向外排出；和一加熱部，所述加熱部設(shè)于殼體上圍繞渦卷式膨脹機(jī)的外周周圍，使在工作流體膨脹期間供給熱量。
12.如權(quán)利要求10所述的渦卷式熱交換系統(tǒng)，其特征在于，還包括一冷卻器，所述冷卻器連接于設(shè)置在渦卷式壓縮機(jī)外部區(qū)域的工作流體流入開口，用于冷卻經(jīng)過回?zé)崞髦蠊┙o渦卷式壓縮機(jī)的工作流體；和一加熱器，所述加熱器連接于設(shè)置在渦卷式膨脹機(jī)中央?yún)^(qū)域的工作流體排出開口，用于加熱經(jīng)過回?zé)崞髦蠊┙o渦卷式膨脹機(jī)的工作流體。
13.如權(quán)利要求10所述的渦卷式膨脹機(jī)，其特征在于所述渦卷式壓縮機(jī)和渦卷式膨脹機(jī)的繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件各自連接于兩個(gè)驅(qū)動(dòng)軸上，由所述驅(qū)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)。
14.如權(quán)利要求13所述的渦卷式膨脹機(jī)，其特征在于連接于所述渦卷式壓縮機(jī)的繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件上的驅(qū)動(dòng)軸與連接于所述渦卷式膨脹機(jī)的繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件上的驅(qū)動(dòng)軸保持180°的相位差。
15.如權(quán)利要求10所述的渦卷式膨脹機(jī)，其特征在于，還包括多個(gè)設(shè)于所述渦卷式壓縮機(jī)的殼體外表面和渦卷式膨脹機(jī)的殼體外表面的加熱銷，所述甲熱銷使熱量的吸收與釋放更為容易。
16.如權(quán)利要求10所述的渦卷式膨脹機(jī)，其特征在于，還包括一旁通管路，所述旁通管路連通位于離殼體中央?yún)^(qū)域預(yù)定距離的中央壓縮區(qū)域和連接到中央?yún)^(qū)域的工作流體排出開口處的連接器之間的區(qū)域；而且還包括一控制閥，其安裝在旁通管路上，用以控制旁通的流體量，而改變壓縮量。
17.如權(quán)利要求10所述的渦卷式膨脹機(jī)，其特征在于當(dāng)比渦卷式壓縮機(jī)溫度更高的熱量供給渦卷式膨脹機(jī)，且動(dòng)力從連接到渦卷式膨脹機(jī)和渦卷式壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)器輸出時(shí)，所述系統(tǒng)用作發(fā)動(dòng)機(jī)。
18.如權(quán)利要求10所述的渦卷式膨脹機(jī)，其特征在于當(dāng)動(dòng)力輸入連接到渦卷式膨脹機(jī)和渦卷式壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，且比渦卷式壓縮機(jī)溫度更低的熱量在渦卷式膨脹機(jī)中被吸收時(shí)，所述渦卷式熱交換系統(tǒng)用作致冷器。
19.一種渦卷式熱交換系統(tǒng)，包括一第一渦卷式膨脹機(jī)，所述膨脹機(jī)包括一密封殼體，所述殼體具有一加熱表面并在中央?yún)^(qū)域和周邊區(qū)域處都具有至少一個(gè)工作流體流入開口和排出開口；一固定渦卷構(gòu)件，其固定在殼體內(nèi)部并從殼體的中央?yún)^(qū)域以螺旋狀向外延伸；和一繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件，其在殼體內(nèi)與固定渦卷構(gòu)件配合并從殼體的中央?yún)^(qū)域以螺旋狀向外延伸，所述繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件沿預(yù)定的繞轉(zhuǎn)半徑作繞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而連續(xù)地膨脹進(jìn)入殼體的工作流體；一渦卷式壓縮機(jī)，所述壓縮機(jī)包括一密封殼體，所述殼體具有一熱輻射表面并在中央?yún)^(qū)域和周邊區(qū)域處都具有至少一個(gè)工作流體流入開口和排出開口；一固定渦卷構(gòu)件，其固定在殼體內(nèi)部并從殼體的中央?yún)^(qū)域以螺旋狀向外延伸；和一繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件，其在殼體內(nèi)與固定渦卷構(gòu)件配合并從殼體的中央?yún)^(qū)域以螺旋狀向外延伸，所述繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件沿預(yù)定的繞轉(zhuǎn)半徑作繞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而連續(xù)地壓縮進(jìn)入殼體的工作流體；一第二渦卷式膨脹機(jī)，所述膨脹機(jī)包括一密封殼體，所述殼體具有一加熱表面并在中央?yún)^(qū)域和周邊區(qū)域處都具有至少一個(gè)工作流體流入開口和排出開口；一固定渦卷構(gòu)件，其固定在殼體內(nèi)部并從殼體的中央?yún)^(qū)域以螺旋狀向外延伸；和一繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件，其在殼體內(nèi)與固定渦卷構(gòu)件配合并從殼體的中央?yún)^(qū)域以螺旋狀向外延伸，所述繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件沿預(yù)定的繞轉(zhuǎn)半徑作繞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而連續(xù)地膨脹進(jìn)入殼體的工作流體；一驅(qū)動(dòng)器，其連接于所述渦卷式壓縮機(jī)和渦卷式膨脹機(jī)的各個(gè)繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件上，驅(qū)動(dòng)所述繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件；一第一連接器，其連接著位于所述渦卷式壓縮機(jī)和渦卷式膨脹機(jī)的外部區(qū)域處的工作流體排出和流入開口；一第二連接器，其連接著位于所述渦卷式壓縮機(jī)和渦卷式膨脹機(jī)的中央?yún)^(qū)域處的工作流體排出和流入開口；一第一回?zé)崞?，所述第一和第二連接器以彼此鄰近的狀態(tài)通過該回?zé)崞鳎詫?shí)現(xiàn)經(jīng)過第一和第二連接器的工作流體之間的熱交換；一第三連接器，其連接著位于所述渦卷式壓縮機(jī)和渦卷式膨脹機(jī)的外部區(qū)域處的工作流體排出和流入開口；一第四連接器，其連接著位于所述渦卷式壓縮機(jī)和渦卷式膨脹機(jī)的中央?yún)^(qū)域處的工作流體排出和流入開口；一第二回?zé)崞?，所述第三和第四連接器以彼此鄰近的狀態(tài)通過該回?zé)崞?，以?shí)現(xiàn)經(jīng)過第三和第四連接器的工作流體之間的熱交換；和工作流體，其在所述渦卷式壓縮機(jī)中被壓縮，通過渦卷式壓縮機(jī)中央?yún)^(qū)域處的排出開口排出，然后部分工作流體經(jīng)第二連接器通過第一回?zé)崞?，然后?jīng)第一渦卷式膨脹機(jī)中央?yún)^(qū)域處的流入開口供給，之后，所述工作流體在第一渦卷式膨脹機(jī)中經(jīng)歷膨脹，通過渦卷式膨脹機(jī)外部區(qū)域處的排出開口排出，經(jīng)第一連接器通過第一回?zé)崞鳎⑼ㄟ^渦卷式壓縮機(jī)外部區(qū)域處的流入開口供給；另一部分工作流體經(jīng)第四連接器通過第二回?zé)崞?，然后?jīng)第二渦卷式膨脹機(jī)中央?yún)^(qū)域處的流入開口供給，之后，所述工作流體在第二渦卷式膨脹機(jī)中經(jīng)歷膨脹，并通過第二渦卷式膨脹機(jī)外部區(qū)域處的排出開口排出，經(jīng)第三連接器通過第二回?zé)崞?，并通過渦卷式壓縮機(jī)外部區(qū)域處的流入開口供給壓縮機(jī)，而實(shí)現(xiàn)工作流體通過該熱交換系統(tǒng)的循環(huán)，其中，所述第一渦卷式膨脹機(jī)和渦卷式壓縮機(jī)可以用作發(fā)動(dòng)機(jī)，第二渦卷式膨脹機(jī)和渦卷式壓縮機(jī)可以用作致冷器。
20.一種蒸汽機(jī)，包括一渦卷式膨脹機(jī)，所述膨脹機(jī)包括一密封殼體，所述殼體具有一加熱表面并在中央?yún)^(qū)域和周邊區(qū)域處都具有至少一個(gè)工作流體流入開口和排出開口；一固定渦卷構(gòu)件，其固定在殼體內(nèi)部并從殼體的中央?yún)^(qū)域以螺旋狀向外延伸；和一繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件，其在殼體內(nèi)與固定渦卷構(gòu)件配合并從殼體的中央?yún)^(qū)域以螺旋狀向外延伸，該繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件沿預(yù)定的繞轉(zhuǎn)半徑作繞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而連續(xù)地膨脹進(jìn)入殼體的工作流體；加熱室，其設(shè)置于殼體的外周并在工作流體由繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)而膨脹時(shí)提供熱量；和驅(qū)動(dòng)軸，其連接于繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件，驅(qū)動(dòng)所述渦卷構(gòu)件；一熱交換器，在渦卷式膨脹機(jī)中膨脹過的并從該渦卷式膨脹機(jī)排出的高溫工作流體經(jīng)過該熱交換器；一冷凝器，用于冷凝經(jīng)過熱交換器的工作流體；一儲(chǔ)存罐，用于儲(chǔ)存經(jīng)過冷凝器的工作流體；和一泵，用于加壓經(jīng)過儲(chǔ)存罐的工作流體，其中，在泵中加壓的工作流體再次循環(huán)經(jīng)過熱交換器，以從高溫?zé)嵩唇邮諢崃慷艿郊訜帷?br> 全文摘要
本發(fā)明提供了一種渦卷式膨脹機(jī)，其同時(shí)進(jìn)行膨脹和再加熱，從而實(shí)現(xiàn)了有效的膨脹并且沒有由壓力損失引起的效率降低，其中該壓力損失在將工作流體供給渦卷式膨脹機(jī)期間發(fā)生，而且其使固定渦卷構(gòu)件和繞轉(zhuǎn)渦卷構(gòu)件以及渦卷殼的溫度分布之間的溫差最小。本發(fā)明還涉及一種使用渦卷式膨脹機(jī)的熱交換系統(tǒng)，其用一對(duì)渦卷式壓縮機(jī)和膨脹機(jī)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)往復(fù)史特靈發(fā)動(dòng)機(jī)或致冷器中的活塞，從而該熱交換系統(tǒng)可以用作史特靈發(fā)動(dòng)機(jī)或致冷器。本發(fā)明還提供一種蒸汽機(jī)，其中傳統(tǒng)蒸汽機(jī)(蘭金循環(huán))中的蒸汽渦輪機(jī)由渦卷式膨脹機(jī)代替，從而蒸汽循環(huán)具有再加熱循環(huán)和再生循環(huán)。
文檔編號(hào)F02G1/043GK1646792SQ03808296
公開日2005年7月27日 申請(qǐng)日期2003年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月15日
發(fā)明者金英敏, 申東吉, 李章熙 申請(qǐng)人:韓國(guó)機(jī)械研究院