專利名稱：熱－液－動(dòng)力放大器的制作方法
液體與氣體相比實(shí)際上不可壓縮，具有更微小的由熱引起的體積增加，極其高的單位熱容量并且提供了更好地實(shí)現(xiàn)熱交換的方法。早在上世紀(jì)20年代就由(英國(guó))News-castle-on-Tyne的J.F.Malone在熱力機(jī)中進(jìn)行過用液體替換工作氣體的嘗試。
他研究了一種與熱氣-斯特林機(jī)類似的交流換熱的機(jī)器，但是它以壓力水代替空氣作為工作介質(zhì)充滿。(美國(guó)專利1,487,664，1924年3月18日和美國(guó)專利1,7717,161,1929年6月11日)已經(jīng)可以證明，它在一個(gè)305K的溫度差時(shí)達(dá)到一個(gè)27％的效率，這等于理想的諾頓循環(huán)的54％的可觀的實(shí)現(xiàn)效率并且與當(dāng)時(shí)的常見的蒸汽機(jī)相比高出約兩倍。
這種高效率的基礎(chǔ)建立在這樣的事實(shí)上，所述機(jī)器如斯特林機(jī)具有一個(gè)熱量交流換熱器并且還利用與氣體相比更加好的液體熱傳遞特性。在

圖1中簡(jiǎn)示出馬隆(Malone)機(jī)。在此(1)是工作缸，(2)是擠出缸，(3)是加熱器，它通過外部的(火焰)熱量(3a)持續(xù)地加熱，(4)是冷卻器，(5)是擠出機(jī)活塞，它使交流換熱器(2a)相對(duì)于做功活塞(6)相移90°地從熱到冷地移動(dòng)。與飛輪(7)通過連桿(7a)連接的做功活塞(6)通過輔助連桿(8a)和偏心輪(8)將相移的振蕩的運(yùn)動(dòng)傳遞到交流換熱器(2a)。
在圖2中的PV曲線中不僅示出一個(gè)理想的斯特林循環(huán)(10)，而且示出由馬隆機(jī)實(shí)現(xiàn)的循環(huán)(9)。
因?yàn)樗辉诜浅８叩模?00巴的壓力下才在延長(zhǎng)的工作溫度范圍里保持液態(tài)，因此馬隆必需使用非常耐壓的缸體。因?yàn)樵摳左w為了將在液體中以熱工技術(shù)產(chǎn)生的壓力變化轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)的軸能量還追溯到曲軸和做功活塞，所以與在傳統(tǒng)的做功機(jī)中常見的一樣，該缸體使液體置于一個(gè)工作循環(huán)，其中原則上在(熱)膨脹期間通過做功活塞和曲軸-飛輪系統(tǒng)輸出有用功，而在(冷)回壓狀態(tài)必需將源自儲(chǔ)存在飛輪中的膨脹功的一部分加入到系統(tǒng)里面。
因?yàn)橐后w與氣體或液體-蒸汽混合物相比幾乎不能壓縮，因此不能避免由于剛性的強(qiáng)制耦聯(lián)使做功活塞、柱塞、曲軸和飛輪沖壓液體，尤其是在回壓狀態(tài)期間產(chǎn)生特別高的壓力。這導(dǎo)致太高的壓力變換負(fù)荷并需要非常沉重的慣性質(zhì)量，它們本身將強(qiáng)烈的動(dòng)態(tài)負(fù)荷傳遞到軸承和整個(gè)結(jié)構(gòu)上。
因此馬隆機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)(相對(duì)于氣體更好的熱傳遞性、高的熱容量和相關(guān)的功率密度)受到由這種結(jié)構(gòu)形式引起的限制壽命的壓力變化的遏制。這也是為什么這種機(jī)器盡管具有很好的熱動(dòng)力效果但是也沒有進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用的原因。
本發(fā)明的目的是，以一個(gè)技術(shù)上新型的結(jié)構(gòu)形式利用由馬隆機(jī)已知的由液體作為熱工作介質(zhì)的原理優(yōu)點(diǎn)，克服上述負(fù)面影響。
下面描述的按照本發(fā)明的設(shè)備起到熱-液-動(dòng)力放大器的作用(THK)。
所述THK在PV曲線(見圖3)中進(jìn)行一個(gè)在原理上與傳統(tǒng)的熱力機(jī)不同的循環(huán)。在此所述液體從a到b等容地加熱。初始?jí)毫o在此對(duì)應(yīng)于環(huán)境壓力(或者一個(gè)略高的壓力)。只要在液體中達(dá)到所期望的壓力P1，一個(gè)截止元件17打開并使液體減壓，其中液體對(duì)一個(gè)串聯(lián)的系統(tǒng)(液壓馬達(dá)，壓縮機(jī)活塞)做功。這種減壓一直到在c又達(dá)到初始?jí)毫o時(shí)出現(xiàn)與初始狀態(tài)a相比更大的體積和更高的溫度。與傳統(tǒng)的機(jī)器相反，其中流體通過機(jī)械的再壓縮回到初始狀態(tài)a，對(duì)于THK所述液體的收縮通過去除熱量實(shí)現(xiàn)。這一點(diǎn)按照本發(fā)明具有極大優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗械睦媚茉趶腷到c的膨脹狀態(tài)被去除，不必以任何方式(飛輪、風(fēng)力爐等)中間存儲(chǔ)機(jī)械能。此外在原理上，如同還要描述的那樣，按照本發(fā)明的方法完全放棄一個(gè)將強(qiáng)制作用力施加到液體上的曲軸機(jī)構(gòu)。
此外，如果在a→b和c→a的工作狀態(tài)期間一個(gè)再生器或蓄熱器包括在熱交換過程中并且流體的膨脹等溫地進(jìn)行，則通過拐點(diǎn)a，b，c確定的工作過程除了不可逆的流體損失和熱損失以外在熱動(dòng)力方面是理想的。
在圖4中簡(jiǎn)示出一個(gè)THK與一個(gè)液壓馬達(dá)的組合。
在此擠出機(jī)活塞(11)由一個(gè)線性驅(qū)動(dòng)裝置(12)在壓力缸(13)內(nèi)部上下移動(dòng)。該活塞通過加熱器(14)、再生器(15)和冷卻器(16)路線往復(fù)擠出工作液體。作為可操縱的截止元件(17)使用一個(gè)液壓閥。當(dāng)擠出機(jī)活塞向下運(yùn)動(dòng)并因此將液體輸送到系統(tǒng)的熱端時(shí)，這個(gè)液壓閥使循環(huán)(圖3路線a→b)開始。當(dāng)在PV曲線的點(diǎn)b上達(dá)到所期望的壓力P1時(shí)閥門打開并且使液體在高壓下膨脹同時(shí)通過液壓馬達(dá)(18)與耦聯(lián)的飛輪(19)輸出功。接著使卸壓的液體匯集到收集容器(20)。一個(gè)具有止回閥(21)的循環(huán)管道負(fù)責(zé)使液體從收集容器通過液壓馬達(dá)持續(xù)循環(huán)，只要這個(gè)液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)提供功的液體卸壓結(jié)束時(shí)(PV曲線中的點(diǎn)c，見圖3)，所述閥門(17)關(guān)閉，擠出機(jī)(11)向上移動(dòng)并擠出液體到系統(tǒng)的冷端(路線c→a，見圖3)。冷卻的液體收縮到循環(huán)的初始點(diǎn)a(見圖3)并同時(shí)通過管道(22)和止回閥(23)向上抽吸來自收集容器(20)中的液體。
因?yàn)樵偕?15)以交替的方向通流熱的和冷的流體，該再生器短時(shí)間地幾乎沒有熵?fù)p失地存儲(chǔ)熱量(因?yàn)闊崃亢屠淞垦刂粋€(gè)線性升高的溫度曲線獲得)并且將熱量在正確的時(shí)刻再給到液體。
當(dāng)適當(dāng)?shù)剡x擇擠出機(jī)(11)振蕩頻率并正確設(shè)計(jì)通流加熱器、再生器、冷卻器的通流截面尺寸時(shí)能夠使由膨脹的液體給出的功貢獻(xiàn)遠(yuǎn)高于由擠出機(jī)活塞給出的功。由于這個(gè)原因并根據(jù)其工作方式將按照本發(fā)明的設(shè)備稱為熱-液的動(dòng)力放大機(jī)(THK)。
為了更好地理解，在圖4a，4b，4c中再一次簡(jiǎn)示出三個(gè)工作節(jié)拍并充分對(duì)應(yīng)在PV曲線中的那個(gè)區(qū)段。在此→表示壓力液流，…→表示沒有運(yùn)動(dòng)的壓力液流，……→表示低壓的液體運(yùn)動(dòng)。
在圖4a中液體被等容地壓縮。所述擠出機(jī)活塞(11)由線性驅(qū)動(dòng)裝置(12)驅(qū)動(dòng)位于其向下的行程上。所述液壓閥(17)關(guān)閉。在PV曲線中路線a→b連續(xù)。在膨脹容器(20)中的液面位于其最低的狀態(tài)。
在圖4a中液體等溫地壓縮。所述擠出機(jī)活塞(11)由線性驅(qū)動(dòng)裝置(12)驅(qū)動(dòng)位于其向下的行程上。所述液壓閥(17)關(guān)閉。在PV曲線中路線a→b連續(xù)。在膨脹容器(20)中的液面位于其最低的狀態(tài)。
在圖4b中擠出機(jī)活塞(11)到達(dá)下死點(diǎn)。所述線性驅(qū)動(dòng)裝置(12)停止。所述液壓閥(17)打開。在PV曲線中路線a→b連續(xù)。所述液壓馬達(dá)(18)由減壓的液體驅(qū)動(dòng)。在膨脹容器(20)中的液面升高。
在圖4c中擠出機(jī)活塞(11)通過線性驅(qū)動(dòng)裝置(12)向上移動(dòng)。所述液壓閥(17)關(guān)閉。無壓力的熱流體通過再生器(15)和冷卻器(16)回冷到初始溫度并由此獲得一個(gè)收縮。由此產(chǎn)生的負(fù)壓通過管道(22)抽吸來自膨脹容器(20)的液體。該容器的液面下降到最低值。在PV曲線中路線c→a連續(xù)。因此使循環(huán)又到達(dá)初始狀態(tài)。
在這里所述的一個(gè)三節(jié)拍-THK的基本工作原理可以以不同的方式改變。一個(gè)按照本發(fā)明的方案是，代替液壓閥(17)利用液壓馬達(dá)(18)本身建立壓力。這一點(diǎn)由此得到實(shí)現(xiàn)，即，這樣選擇液壓馬達(dá)(18)的吸收體積，使得它明顯小于流體由于在PV曲線中的路線a→b上加熱產(chǎn)生的體積流。在圖5中示出一個(gè)由這種THK過程得到的PV曲線。在此按照本發(fā)明當(dāng)液體位于壓力狀態(tài)Po時(shí)過程又開始。由于流體從冷到熱的移動(dòng)而膨脹的介質(zhì)在壓力升高到P1’的條件下通流液壓馬達(dá)(17)，在b點(diǎn)所述擠出機(jī)活塞(11)達(dá)到其下死點(diǎn)。接著流體在擠出機(jī)活塞保持不動(dòng)時(shí)減壓到Po時(shí)的點(diǎn)c并且接著通過從c→a的交流換熱冷卻而收縮。所述液壓閥(17)在循環(huán)a→b→c期間關(guān)閉而從c→b打開。
所述THK循環(huán)的這種變化盡管對(duì)每個(gè)循環(huán)實(shí)現(xiàn)較小的功率，但是顯示出一個(gè)特別靈活的連續(xù)過程的特征并且由于微小的最大壓力只需更低的耐壓性。
另一有利的改進(jìn)方案在于液壓閥(17)與液壓馬達(dá)的截止特性的結(jié)合。在圖6中示出一個(gè)這樣的THK變化的示蹤曲線。從初始點(diǎn)Po開始液體等容地(閥門17關(guān)閉)壓縮到中間壓力P1。從b到b’液體通過液壓馬達(dá)(18)等壓地(閥門17打開)減壓。當(dāng)擠出機(jī)活塞(11)達(dá)到其下死點(diǎn)以后，液體從b’到c(閥門17打開)減壓。然后液體在關(guān)閉閥門17的情況下通過可逆的熱量去除再?gòu)腸收縮到初始點(diǎn)a。所述THK的這種變化實(shí)現(xiàn)良好的循環(huán)效率并且由于與基本變化相比更低的最大壓力而節(jié)省壓力缸。
另一按照本發(fā)明有利的THK改進(jìn)方案是，存在使加熱器(14)和冷卻器(16)總是只在工作循環(huán)區(qū)段期間加入到對(duì)于其各功能必需的液體回路里面。這一點(diǎn)一方面使流體-空體積的負(fù)面影響最小化，而另一方面能夠使通流加熱器和冷卻器的壓力流橫截面在微小的動(dòng)態(tài)通流阻力和最佳的熱傳遞特性的循環(huán)方面沒有負(fù)面影響。在圖7中借助于PV曲線簡(jiǎn)示出相應(yīng)的、必需的具有截止閥的旁通管道和其在時(shí)間上的使用。
在流體從a→b通過擠出機(jī)活塞移動(dòng)期間，所述流體被加熱，不希望通過冷卻器(16)去除熱量。通過關(guān)閉閥門24a，24b使流體在一個(gè)旁路(24c)中繞過冷卻器并接著通流再生器(15)和加熱器(14)。在液體接著從b→c減壓時(shí)仍然不期望冷卻(24a，24b繼續(xù)關(guān)閉，流體通流24c)。
由于從b→c所致力的等溫減壓期望通過加熱器(14)再加熱。在PV曲線中表示出從a→b→c所述流體通過旁路24c流動(dòng)的事實(shí)。當(dāng)流體接著從c→a可逆地冷卻并由此收縮時(shí)，只希望冷卻器(16)起作用，但是不希望加熱器(14)起作用。因此現(xiàn)在將加熱器通過兩個(gè)閥門25a，25b截止并使流體通過旁路25c直接通過再生器(15)和冷卻器(16)導(dǎo)引(閥門24a，24b又打開)。為了使流體在打開截止閥24a，24b以及25a，25b時(shí)分別流過(16)和(14)，所述旁路管道24c和25c配有止回閥24d和25d。
至此已經(jīng)描述了具有通過液壓馬達(dá)耦出旋轉(zhuǎn)的THK設(shè)備。因?yàn)檠h(huán)能量在工作流體減壓過程中持續(xù)地降低，因此必需使這種不連續(xù)的功率輸出″飛輪(19)實(shí)現(xiàn)。
一方面能量只在膨脹狀態(tài)期間向外輸出，另一方面由于效率的原因所述THK設(shè)備的工作頻率應(yīng)該盡可能地低，這一事實(shí)導(dǎo)致所述飛輪除了上述的協(xié)調(diào)不連續(xù)的能量輸出以外在膨脹期間還必需過渡相對(duì)長(zhǎng)的時(shí)間間隔，在該間隔期間設(shè)備不輸出能量。這一點(diǎn)當(dāng)然導(dǎo)致大的飛輪。
因此按照本發(fā)明的THK設(shè)備的改進(jìn)方案使這個(gè)設(shè)備由多缸設(shè)備構(gòu)成(缸的數(shù)量n≥2)并且這樣實(shí)現(xiàn)不同缸體的線性驅(qū)動(dòng)裝置(12)的控制，使由此引起的循環(huán)重疊導(dǎo)致一個(gè)平滑的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。這一點(diǎn)導(dǎo)致非常小的飛輪。
但是按照本發(fā)明也能夠利用膨脹和又收縮的液體柱的純轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)來驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)，如空氣壓縮機(jī)，熱泵-制冷機(jī)、壓縮機(jī)，可逆-滲透設(shè)備和類似設(shè)備。
在圖8中示出一個(gè)這樣的按照本發(fā)明的THK設(shè)備，它具有線性的力耦出器和線性適配器。因?yàn)樗鲎酉到y(tǒng)在這種情況下必需是一個(gè)固體的做功活塞(代替上述的″這種變化的有利改進(jìn)方案通過做功活塞(26)在壓力缸(13)和在其中上下運(yùn)動(dòng)的擠出機(jī)活塞(11)的組合給出。在做功活塞下部的氣墊(27)在這個(gè)結(jié)構(gòu)形式中使膨脹容器(見圖3，20)成為不必要的。在這種情況下也周期地在膨脹狀態(tài)期間在作用力展開的條件下向下運(yùn)動(dòng)的做功活塞長(zhǎng)時(shí)間地由可控的截止元件(29)保持，直到達(dá)到所期望的最高壓力(在PV示蹤曲線中的點(diǎn)b)，所述截止元件在這種情況下最好由包圍活塞桿的閘瓦構(gòu)成。所述作用力通過在幾何形狀上由平行四邊形構(gòu)成的力結(jié)構(gòu)(30)耦出。所述平行四邊形在其四個(gè)角上配有活動(dòng)鉸鏈，它們使其形狀通過施加的運(yùn)動(dòng)持續(xù)地變化(通過30，31表示)。如果在一個(gè)拐角點(diǎn)的延伸軸線垂直于由做功活塞給定的軸線的拐角點(diǎn)中耦入所期望的、以線性作用力驅(qū)動(dòng)的子系統(tǒng)的活塞桿，則使THK做功活塞的由于從b→c的等溫減壓的不對(duì)稱過程的力作用協(xié)調(diào)一致，即，在整個(gè)工作行程上是均勻的。因?yàn)門HK只在膨脹期間對(duì)外部輸出功，所述子系統(tǒng)的做功活塞通過活塞桿(33)只在膨脹期間傳力連接，即，做功活塞只由協(xié)調(diào)器″動(dòng)”并且在分離位置(33a)松動(dòng)地位于做功活塞上(無壓力地耦聯(lián))。
按照本發(fā)明所述THK的這種結(jié)構(gòu)形式也可以通過在圖5和圖6中所示的并且在文字中敘述的循環(huán)變型方案驅(qū)動(dòng)，以及通過在圖7中所示的″因?yàn)門HK是一個(gè)可逆的熱動(dòng)力設(shè)備，因此在其改進(jìn)方案中存在一個(gè)特別有利的、按照本發(fā)明的變型作為制冷機(jī)-熱泵。
在圖9a，9b，9c中分別示出一個(gè)這樣的THK設(shè)備，它們?cè)隍?qū)動(dòng)THK設(shè)備和被驅(qū)動(dòng)的THK制冷機(jī)-熱泵的三個(gè)工作狀態(tài)期間具有對(duì)應(yīng)的工作步驟。
在此驅(qū)動(dòng)的THK設(shè)備在原理上具有與圖8中所示的結(jié)構(gòu)相同的結(jié)構(gòu)并已經(jīng)在前面的文字中描述過。通過協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)(30)通過同樣描述過的無壓力離合器(33a)周期地且對(duì)于驅(qū)動(dòng)設(shè)備相移地使被驅(qū)動(dòng)的制冷機(jī)-熱泵的做功活塞(26a)移動(dòng)進(jìn)入缸體(13a)。所述制冷機(jī)按照本發(fā)明原則上具有與做功機(jī)相同的部件，因此它們以相同的數(shù)字加下標(biāo)a表示(14a＝加熱器，15a＝再生器，16a＝冷卻器，12a＝擠出機(jī)活塞的線性驅(qū)動(dòng)裝置，29a＝可控的截止元件)。在圖9a的右上部PV曲線中示出THK做功機(jī)(——線)和THK制冷機(jī)(……線)的相移工作循環(huán)。在圖9a至9c的左側(cè)只分別示出做功機(jī)和制冷機(jī)對(duì)于三個(gè)基本工作節(jié)拍的對(duì)應(yīng)工作節(jié)拍。位于下面的視圖分別給出關(guān)于兩個(gè)設(shè)備(26，26a，11，11a)的做功活塞和擠出機(jī)活塞的位置、運(yùn)動(dòng)方向或靜止?fàn)顟B(tài)和可控截止元件(29，29a)狀態(tài)的信息。對(duì)于截止元件＝0表示關(guān)閉，＝1表示打開。
此外在協(xié)調(diào)器(30)和做功活塞的位置上可以選擇無壓力離合器(33a)，這取決于做功機(jī)是否驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)。流體和活塞運(yùn)動(dòng)方向通過箭頭表示。
在三個(gè)工作狀態(tài)期間出現(xiàn)如下所述現(xiàn)象圖9a做功機(jī)所述流體從a到b等容地被加熱。所述擠出機(jī)(11)向著固定的做功活塞(26)移動(dòng)。
制冷機(jī)所述流體通過擠出機(jī)從a’到c’的移動(dòng)等壓地冷卻。所述做功活塞(26a)固定。所述無壓力離合器(33a)脫離接合。
圖9b做功機(jī)所述流體從b到c等溫地膨脹。做功活塞(26)和擠出機(jī)活塞(11)共同向下運(yùn)動(dòng)。無壓力的離合器(30)處于接合。所述截止元件(29)打開。
制冷機(jī)所述做功活塞(26a)壓縮流體。所述擠出機(jī)活塞固定在外死點(diǎn)。所述截止元件(29a)打開。
圖9c做功機(jī)所述流體通過交流換熱冷卻從c到a收縮。做功活塞和擠出機(jī)活塞(26，11)并聯(lián)地向上運(yùn)動(dòng)。所述截止元件(29)打開。所述無壓力離合器(30)脫離接合。
制冷機(jī)所述做功活塞(26a)通過截止元件(29a)固定在下死點(diǎn)。所述擠出機(jī)活塞使流體從b’到a’移動(dòng)(等容的冷卻)。
所述制冷機(jī)-熱泵通過(16a)接收環(huán)境熱量(冷卻器)，等溫地壓縮它們并通過(14a，加熱器)再給出熱量。在此所進(jìn)行的三節(jié)拍循環(huán)在原理上類似于上述的按照本發(fā)明的做功機(jī)循環(huán)，但是″反”地進(jìn)行并在較低的溫度水平上工作。
除了可逆的、有效的循環(huán)以外，在此特別有利的是，可以實(shí)現(xiàn)從液體到液體的所有的熱量交換過程。與在傳統(tǒng)制冷機(jī)中常見的兩相混合相反，這一點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)更經(jīng)濟(jì)且更有效的冷卻器/加熱器熱交換。按照本發(fā)明可以與圖7中的旁路(24c，25c)類似，在制冷機(jī)中也使用一個(gè)這樣的結(jié)構(gòu)并因此使冷卻的流體沒有靜區(qū)效應(yīng)地直接通流相應(yīng)的冷卻體。
因?yàn)轵?qū)動(dòng)的THK設(shè)備和被驅(qū)動(dòng)的THK制冷機(jī)在不同的溫度水平上運(yùn)行，因此壓力必需相互適配。按照本發(fā)明這一點(diǎn)或者通過做功機(jī)缸體(13)與制冷機(jī)缸體(13a)的相應(yīng)體積比實(shí)現(xiàn)，或者通過相應(yīng)地降低協(xié)調(diào)器(30)與制冷機(jī)之間的一個(gè)臺(tái)階做功活塞的壓力實(shí)現(xiàn)。
另一按照本發(fā)明的THK制冷機(jī)-熱泵的改進(jìn)方案在適配于THK設(shè)備的特殊循環(huán)的條件下利用已知的、按照斯特林原理工作的文氏(Vuilleumier)制冷機(jī)-熱泵的原理。在圖10中簡(jiǎn)示出這種變型。
一個(gè)線性驅(qū)動(dòng)的擠出機(jī)活塞通過所連接的加熱器-再生器-冷卻器路線分別位于一個(gè)公共的、通過良好的熱絕緣和耐壓的壁體(34)分成兩個(gè)做功區(qū)的缸體(I＝″″在此屬于″a標(biāo)記，屬于″下標(biāo)b標(biāo)記。通過時(shí)間控制的閥門(35)對(duì)于所期望的時(shí)刻使來自缸體I和缸體II的流體循環(huán)連接。
在開始動(dòng)作時(shí)兩個(gè)缸半體通過相同的流體以相同的壓力(最好1巴)充滿。所述壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置12a，12b使壓縮機(jī)活塞11a，11b以90°相移運(yùn)動(dòng)。
在熱缸體中流體通過14a的加熱等容地帶到高壓。在達(dá)到這個(gè)壓力后閥門(35)打開并且來自缸體I的壓力流體在發(fā)生熱量的條件下壓縮缸體II中的流體。在實(shí)現(xiàn)壓力平衡后在″(11a)向上移動(dòng)，而在″在此不僅在缸體I而且在缸體II中都將熱焓交流換熱地傳遞到再生器15a和15b并對(duì)于接著的循環(huán)段中間存儲(chǔ)。在第三工作節(jié)拍中(11a)和(11b)同步地向上運(yùn)動(dòng)。只要兩者達(dá)到其上死點(diǎn)，就關(guān)閉閥門(35)并如上所述重新開始循環(huán)。
在這個(gè)按照本發(fā)明的變化中所述缸體I在原理上是交流換熱的壓力脈沖換向器，而缸體II作為制冷機(jī)-熱泵向左進(jìn)行在缸體I中向右移動(dòng)的THK脈沖換向器循環(huán)。同時(shí)在一個(gè)所期望的空間中通過(14b)在較低的溫度時(shí)去除熱量(制冷機(jī))并通過(16a)再給出到一個(gè)中間溫度水平上(熱泵)。在作為熱泵或作為組合機(jī)組(同時(shí)產(chǎn)生冷量和熱量)運(yùn)行時(shí)有意義的是，所述熱流通過(16a)和(16b)串聯(lián)地相互接通。
在原理上在此所述的″Vuilleumier THK″沒有閥門(35)地運(yùn)行。按照本發(fā)明在這種情況下所述閥門(35)通過壁體(34)中的一個(gè)永磁的、小的通道孔替換。在這種情況下所述壓縮機(jī)(11a，11b)不是不連續(xù)地以90°相移運(yùn)動(dòng)，而是連續(xù)地以90°相移運(yùn)動(dòng)。但是按照本發(fā)明的循環(huán)簡(jiǎn)化由于更微少的可利用壓力變化具有一個(gè)更微小的功率密度。這一點(diǎn)在原理上可以通過提高工作頻率進(jìn)行補(bǔ)償，但是由于超比例的增加液壓壓力損失而使效率降低。
在選擇工作液體時(shí)提供了大范圍的方案。最重要的選擇標(biāo)準(zhǔn)是溫度和循環(huán)穩(wěn)定性，明顯的熱體積放大，微小的壓縮性，大的熱容量，Cp明顯大于Cv，高沸點(diǎn)，低冰點(diǎn)，環(huán)境兼容性和成本。
如上所述，由馬隆機(jī)使用的水盡管具有許多優(yōu)點(diǎn)，但是也存在原理上的缺陷，即，為了在整個(gè)工作循環(huán)上保持液態(tài)必需以＞100巴的預(yù)壓力加載。這一點(diǎn)在原理上盡管可以通過上述的THK設(shè)備實(shí)現(xiàn)，但是需要膨脹容器和風(fēng)力爐，它們以這個(gè)預(yù)壓力充滿。
因此在現(xiàn)有技術(shù)中尤其優(yōu)選使用合成油，如上所述，對(duì)于這種油可以接近大氣壓力工作，并且可以使粘度、耐溫性、壓縮性和其它重要的參數(shù)按照需要適配于THK的熱動(dòng)力特性。
因?yàn)樗鯰HK設(shè)備在從約100℃至約400℃的中等溫中已經(jīng)以良好的效率運(yùn)行，并且流體的熱量加入(和冷卻)在技術(shù)上可以特別簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)，因此下面的能源對(duì)于THK的運(yùn)行具有特殊的意義太陽(yáng)能包括通過熱存儲(chǔ)器的夜間運(yùn)行，所有的生物燃燒物質(zhì)，在上述溫區(qū)中的廢熱。THK設(shè)備和組合的THK制冷機(jī)-熱泵特別適用于樓宇中的動(dòng)力-供熱，適用于通過太陽(yáng)和/或生物物質(zhì)提供分散能源并適用于(工業(yè))廢熱的再利用。
由于新型的循環(huán)而簡(jiǎn)單和緊湊的結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟(jì)的設(shè)備。由于流體的高能量密度在合理的設(shè)備重量(靜態(tài)應(yīng)用)條件下工作頻率可以明顯在低于1赫茲以下運(yùn)行。這一點(diǎn)不僅使壓縮機(jī)活塞的輸入功率最小，而且還提高了系統(tǒng)的壽命。
權(quán)利要求
1.一種熱-液-動(dòng)力放大器(THK)，其特征在于，一種液體在一個(gè)剛性缸體的內(nèi)部通過一個(gè)輔助活塞周期地通過一個(gè)加熱器-再生器-冷卻器或者加熱器-換熱器-冷卻器系統(tǒng)從熱到冷及反向地移動(dòng)并且由此使由同樣周期性壓縮和膨脹的熱的液體柱施加的作用力大于輔助活塞驅(qū)動(dòng)力。
2.如權(quán)利要求1所述的THK，其特征在于，所述液體在熱膨脹時(shí)釋放的能量通過適當(dāng)?shù)募夹g(shù)裝置轉(zhuǎn)換成可利用的機(jī)械功。
3.如權(quán)利要求1和2所述的THK，其特征在于，所述熱膨脹的液體周期地通流一個(gè)液壓馬達(dá)并在其軸上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)能量。
4.如權(quán)利要求1和3所述的THK，其特征在于，在所述液壓馬達(dá)上串聯(lián)一個(gè)以大氣壓力或略微過壓加載的膨脹容器。
5.如權(quán)利要求1至4所述的THK，其特征在于，由膨脹的液體柱產(chǎn)生的壓力可以通過一個(gè)可控制的截止元件在時(shí)間和數(shù)值上進(jìn)行調(diào)節(jié)。
6.如權(quán)利要求1至5所述的THK，其特征在于，所期望建立的液體壓力或者通過膨脹液體的體積流與液壓馬達(dá)的通流體積的比例確定，或者通過這種效應(yīng)與權(quán)利要求5的可調(diào)節(jié)截止元件的組合確定。
7.如權(quán)利要求1至6所述的THK，其特征在于，在膨脹期間出現(xiàn)液體的功輸出，這種液體減壓到環(huán)境壓力或者只略超過環(huán)境壓力，所述液體到初始狀態(tài)的回輸通過在一個(gè)可逆冷卻過程上的壓縮實(shí)現(xiàn)。
8.如權(quán)利要求7所述的THK，其特征在于，處于膨脹和收縮下的液體同時(shí)是馬達(dá)的液壓液體。
9.如權(quán)利要求1至6所述的THK，其特征在于，作為做功液體和液壓液體使用不同的介質(zhì)，它們通過一個(gè)彈性元件相互分開。
10.如權(quán)利要求1至9所述的THK，其特征在于，為了使在做功液體移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的流體動(dòng)力摩擦最小化，使通流橫截面在加熱器、交流換熱-換熱器、冷卻器中適配于做功液體的溫度-粘滯特性。
11.如權(quán)利要求1至10所述的THK，其特征在于，所述膨脹液體柱的振蕩的線性力伸展直接地、沒有轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)能量地在中間連接適當(dāng)?shù)膲毫f(xié)調(diào)器的條件下與空氣的壓縮相耦合，與在可逆滲透設(shè)備中壓力的產(chǎn)生相耦合，與制冷壓縮機(jī)和類似的通過線性運(yùn)動(dòng)做功的能量轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行相耦合。
12.如權(quán)利要求1至11所述的THK，其特征在于，一個(gè)配有一個(gè)壓力協(xié)調(diào)器和一個(gè)線性的無壓力離合器的設(shè)備通過外來能量驅(qū)動(dòng)并作為制冷機(jī)-熱泵做功。
13.如權(quán)利要求12所述的THK，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)的能量來自一個(gè)THK-驅(qū)動(dòng)設(shè)備。
14.如權(quán)利要求1至10所述的THK，其特征在于，所述制冷機(jī)-熱泵通過一個(gè)1缸裝置實(shí)現(xiàn)，其中一個(gè)在缸體熱部分中做功的THK設(shè)備作為壓力脈沖換向器，而一個(gè)在缸體冷部分中做功的、使循環(huán)反向運(yùn)行的、相移做功的第二THK設(shè)備作為制冷機(jī)-熱泵運(yùn)行。
15.如權(quán)利要求1至10所述的THK，其特征在于，所述多個(gè)、在時(shí)間上相移的驅(qū)動(dòng)的缸體導(dǎo)致所給出功率的平滑。
16.如權(quán)利要求15所述的THK，其特征在于，在多缸結(jié)構(gòu)中所述交流換熱器可以替換成缸體之間的對(duì)流熱交換器。
17.一種THK，其特征在于，一種封閉在一個(gè)工作缸體中的液體通過一個(gè)擠出機(jī)活塞周期地通過一個(gè)熱量交流換熱器在一個(gè)熱源與一個(gè)冷源之間移動(dòng)并且在加熱時(shí)在壓力下建立的膨脹體積流通過一個(gè)液壓串聯(lián)馬達(dá)轉(zhuǎn)換成機(jī)械旋轉(zhuǎn)能，其中液體在馬達(dá)上做功輸出后在交流換熱器中交流換熱地回冷并且由此在體積上減小，使它再次適配于工作缸體。
18.一種THK，其特征在于，一種封閉在一個(gè)工作缸體中的液體通流一個(gè)在熱源與一個(gè)冷源之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)的交流換熱器并且在加熱時(shí)在壓力下建立的膨脹體積流通過一個(gè)液壓串聯(lián)馬達(dá)轉(zhuǎn)換成機(jī)械旋轉(zhuǎn)能，其中液體在馬達(dá)上做功輸出后在交流換熱器中交流換熱地回冷并且由此在體積上減小，使它再次適配于工作缸體。
19.一種THK，其特征在于，一種液體交流換熱地周期地被加熱然后再冷卻，因此在加熱時(shí)建立的膨脹的壓力體積流在一個(gè)做功設(shè)備中給出機(jī)械功并且在接著冷卻時(shí)實(shí)現(xiàn)的體積收縮使液體回流到一個(gè)熱的循環(huán)過程的起始點(diǎn)。
全文摘要
一種熱－液－動(dòng)力放大設(shè)備，它在利用一個(gè)外部的熱源和一個(gè)外部的冷吸收的條件下能夠使一種液態(tài)工作介質(zhì)在一個(gè)三節(jié)拍工作循環(huán)(尤其是加熱、等溫減壓、通過交流換熱收縮)中完成有用功。在此在擠出機(jī)(11)上通過輔助驅(qū)動(dòng)裝置(12)給與的功明顯小于由轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(18，19)產(chǎn)生的(動(dòng)力放大)。一個(gè)反向做功的、外部驅(qū)動(dòng)的設(shè)備起到熱泵/制冷機(jī)的作用。
文檔編號(hào)F02G1/044GK1708638SQ03824847
公開日2005年12月14日 申請(qǐng)日期2003年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月2日
發(fā)明者于爾根·克萊因韋赫特, ?？斯亍ろf伯, O·帕庫(kù)德 申請(qǐng)人:流體動(dòng)力股份有限公司