本發(fā)明涉及一種能量轉(zhuǎn)換裝置，具體的說，是一種能夠?qū)崮苤械囊徊糠种苯愚D(zhuǎn)化為液壓能、促進熱能利用的熱力泵系統(tǒng)，屬于熱交換裝置技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前用于熱能轉(zhuǎn)換和傳遞的裝置主要包括熱泵、熱管、機械泵、電熱器等。此類熱交換裝置雖然都能轉(zhuǎn)換傳遞熱能，但是都具有耗能大、熱利用率低、結(jié)構(gòu)復雜、能量的交換和傳遞率不足的致命缺陷。

我國是人均資源貧乏的國家，但浪費尤其是能源浪費巨大。單從煤炭消耗分析，從90年的10億噸，增至2015年的40多億噸，且隨著城市化的發(fā)展，煤炭的需求量會持續(xù)不斷的增加，因此產(chǎn)生資源加速枯竭、空氣、水土污染加重等諸多不利因素，嚴重影響我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和人民的身體健康。

以我國北方冬季取暖采取的漫灌式集體供暖為例，據(jù)統(tǒng)計，我國每年冬季用于供暖的用煤量達到15億噸，粗略統(tǒng)計每年浪費1/2煤炭，耗能相當大，對資源造成了浪費，對環(huán)境造成了污染。

公開號cn2112025u是申請人于1992年申請的實用新型專利，其專利名稱為“渦流式導流泵”。該專利公開的技術(shù)內(nèi)容主要解決了熱量載體介質(zhì)從無序到有序的問題，但由于熱源裝置設(shè)在泵體外部，僅有軸向?qū)Я骷虼嗽摷夹g(shù)方案公開的導流泵能量傳遞和轉(zhuǎn)換率均偏低。

此后，申請人一直致力于此類能夠?qū)崮苻D(zhuǎn)換為液壓能的熱力泵研究。

2004年8月11日，申請人申請了一種名為“熱力泵”的發(fā)明專利申請，其授權(quán)公告號為cn100410548c。該專利公開的技術(shù)方案基于先前“渦流式導流泵”，提供了一種結(jié)構(gòu)更加合理、傳遞轉(zhuǎn)換能量速度更快、節(jié)能和傳熱效果更好的熱量交換傳遞裝置。其結(jié)構(gòu)主要是在泵體內(nèi)依次布置了熱源裝置和軸向?qū)Я骷?，并在泵體內(nèi)壁與軸向?qū)Я骷g設(shè)計了徑向?qū)Я骷Ｒ源思訌姛峤粺岷蛡鬟f效果。

此后，上述“熱力泵”在應(yīng)用過程中，依然存在著一些技術(shù)弊端，經(jīng)研究其主要原因在于泵體設(shè)計的軸向?qū)Я骱蛷较驅(qū)Я鹘Y(jié)構(gòu)的銜接性不良，對其內(nèi)部的導熱介質(zhì)難以提供一個連續(xù)性的軸向循環(huán)空間，介質(zhì)受到的阻尼比較大，因而導致了導熱介質(zhì)在泵體內(nèi)的連續(xù)性不強，軸向推力不足，循環(huán)能力差，熱能利用率不足，泵體產(chǎn)生的液壓能難以滿足實際的動力需求。

鑒于上述背景，申請人又經(jīng)過多年的潛心研究，提出本申請的熱力泵系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在解決針對現(xiàn)有熱力泵存在的熱交換率低、耗能大、污染嚴重、資源浪費等主要技術(shù)缺陷，進而提供一種具有結(jié)構(gòu)設(shè)計科學合理、傳遞轉(zhuǎn)換熱能速度更快、無機械性摩擦和噪音、節(jié)能顯著、高效環(huán)保的熱力泵系統(tǒng)。

為解決上述問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

熱力泵系統(tǒng)，包括內(nèi)部灌裝有流體介質(zhì)的泵體3，所述泵體3的兩端分別具有介質(zhì)入口1和介質(zhì)出口2，特殊之處在于，所述泵體3包括整體呈雙層螺旋套管狀的主體結(jié)構(gòu)4，以及依賴并形成于所述主體結(jié)構(gòu)4上的：

螺旋式內(nèi)導流通道4-1，軸向形成于所述主體結(jié)構(gòu)4的中部，其一端與所述介質(zhì)入口1相通，另一端與所述介質(zhì)出口2相通；

螺旋式外導流通道4-2，螺旋盤繞于所述螺旋式內(nèi)導流通道4-1的外圍并與其保持同一螺旋方向；所述螺旋式內(nèi)導流通道4-1與所述螺旋式外導流通道4-2分別間隔于主體結(jié)構(gòu)內(nèi)螺旋壁4-3的內(nèi)外兩側(cè)；

電熱元件5，密封埋設(shè)于所述主體結(jié)構(gòu)內(nèi)螺旋壁4-3預(yù)留孔位中，對所述主體結(jié)構(gòu)及其兩側(cè)的螺旋式內(nèi)導流通道4-1和螺旋式外導流通道4-2內(nèi)的流體介質(zhì)提供加熱；

所述主體結(jié)構(gòu)內(nèi)螺旋壁4-3上設(shè)有用于連通所述螺旋式內(nèi)導流通道4-1與螺旋式外導流通道4-2的流體通孔4-4。

所述螺旋式內(nèi)導流通道4-1和螺旋式外導流通道4-2在軸向上的截面形狀可以為連續(xù)的波浪段或連續(xù)的鋸齒段；

當所述螺旋式內(nèi)導流通道4-1和螺旋式外導流通道4-2在軸向上的截面形狀為連續(xù)的波浪段時，所述波浪段具有一波谷低點x，與所述波谷低點x相鄰的兩側(cè)高點分別定義為第一波峰高點y和第二波峰高點y1，以分別經(jīng)過波谷低點x和第一波峰高點y的兩垂直軸線的交點為原點o，則oy大于零，所述原點o至所述波谷低點x的距離ox應(yīng)小于兩個相鄰波谷低點之間的距離xx1，所述波谷低點x與第一波峰高點y之間為弧線段，所述波谷低點x與所述第二波峰高點y1之間為直線段或弧線段；

當所述螺旋式內(nèi)導流通道4-1和螺旋式外導流通道4-2在軸向上的截面形狀為連續(xù)的鋸齒段時，所述鋸齒段具有一齒根點z，與所述齒根點z相鄰的兩側(cè)高點分別定義為第一齒尖點h和第二齒尖點h1；以分別經(jīng)過齒根點z和第一齒尖點h的兩垂直軸線的交點為原點o，則原點o至第一齒尖點h之間的距離應(yīng)大于零，即oh＞0；所述原點o至所述齒根點z之間的距離oz大于等于零或小于零，即oz≥0或oz＜0；所述原點o至齒根點z之間的距離oz應(yīng)小于兩個相鄰齒根點之間的距離zz1，即oz<zz1；所述齒根點z與所述第一齒尖點h之間為直線段，所述齒根點z與所述第二齒尖點h1之間為直線段。

所述螺旋式外導流通道4-2形成于由所述主體結(jié)構(gòu)4圍設(shè)而成的螺旋管腔內(nèi)，其外周由主體結(jié)構(gòu)外套筒4-5包覆密封。

進一步的，為了加強所述泵體3的保溫性能，所述外套筒4-5的外壁包覆有保溫隔熱層7；在所述保溫隔熱層7的外周設(shè)有作為防護層的外殼體8。

作為優(yōu)選的結(jié)構(gòu)，所述流體通孔4-4設(shè)有兩個，分別開設(shè)于鄰近于介質(zhì)入口1和介質(zhì)出口2的主體結(jié)構(gòu)內(nèi)螺旋壁4-3上；

所述泵體3的主體結(jié)構(gòu)4采用的是超導溫陶瓷材料；所述電熱元件5采用的是電熱絲；所述流體介質(zhì)采用的是水；

所述螺旋式內(nèi)導流通道4-1、螺旋式外導流通道4-2及電熱元件5在整個泵體3中的螺旋方向和螺紋升角均保持一致。

所述泵體3的兩側(cè)端面分別設(shè)有密封圈9。

一種供熱裝置或散熱裝置，特殊之處在于，采用上述的熱力泵系統(tǒng)，所述供熱裝置或散熱裝置可以是鍋爐、地暖、床具或熱水器。

本發(fā)明的一種熱力泵系統(tǒng)，與采用傳統(tǒng)熱交換方式的熱泵、熱管、機械泵、電熱器等熱交換裝置相比，熱利用率大大提高，在現(xiàn)有具有軸向?qū)Я骷蛷较驅(qū)Я骷臒崃Ρ玫幕A(chǔ)上，將熱利用率提高了25%以上，其特點是結(jié)構(gòu)更加簡單合理，堅固耐用免維護、無摩擦震動、無噪音和化學污雜，應(yīng)用范圍廣泛，科技生命力持久，可用于保健床具、地暖、電熱水器、鍋爐改造等諸多領(lǐng)域，可替代集體供暖、空調(diào)等熱利用方式，適用于居戶、企事業(yè)單位、敬老院、邊防極地卡所、宇宙飛船等需要改變生存條件的所有區(qū)域。

附圖說明

圖1：本發(fā)明的熱力泵系統(tǒng)半剖結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2：實施例1中截面形狀為波浪段的導流通道結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3：實施例2中截面形狀為波浪段的導流通道結(jié)構(gòu)示意圖

圖4：實施例3中截面形狀為鋸齒段的導流通道結(jié)構(gòu)示意圖；

在圖中，1、介質(zhì)入口，2、介質(zhì)出口，3、泵體，4、主體結(jié)構(gòu)，4-1、螺旋式內(nèi)導流通道，4-2、螺旋式外導流通道，4-3、主體結(jié)構(gòu)內(nèi)螺旋壁，4-4、流體通孔，4-5、主體結(jié)構(gòu)外套筒，5、電熱元件，7、保溫隔熱層，8、外殼體，9、密封圈，x、波谷低點，y、第一波峰高點，y1、第二波峰高點，o、原點，z、齒根點，h、第一齒尖點，h1、第二齒尖點。

具體實施方式

下面就附圖1-4對本發(fā)明熱力泵系統(tǒng)作以下詳細說明。

實施例1

一種熱力泵系統(tǒng)，由一端具有介質(zhì)入口1、另一端具有介質(zhì)出口2、內(nèi)部灌裝有流體介質(zhì)的泵體3，以及包繞在所述泵體3外周的保溫隔熱層7和外殼體8組合而成，其中所述泵體3的主體結(jié)構(gòu)4采用超導溫陶瓷材料，其整體呈雙層的螺旋套管狀，圍繞所述主體結(jié)構(gòu)4的形狀及結(jié)構(gòu)，形成了泵體3的螺旋式內(nèi)導流通道4-1和螺旋式外導流通道4-2，內(nèi)、外兩個螺旋的導流通道在軸向的主體結(jié)構(gòu)上形成了雙層的螺旋導流通道；其中，所述螺旋式內(nèi)導流通道4-1位于所述主體結(jié)構(gòu)4的中部，由呈螺旋結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)內(nèi)螺旋壁4-3圍設(shè)而成，其一端與所述介質(zhì)入口1相連通，另一端與所述介質(zhì)出口2相連通；所述螺旋式外導流通道4-2基于所述主體結(jié)構(gòu)內(nèi)螺旋壁4-3在所述螺旋式內(nèi)導流通道4-1的外圍形成了與其保持同一螺旋方向的外層螺旋通道；內(nèi)外兩層螺旋導流通道之間由主體結(jié)構(gòu)內(nèi)螺旋壁4-3間隔。在所述主體結(jié)構(gòu)內(nèi)螺旋壁4-3均勻開設(shè)有用于埋設(shè)電熱元件5的預(yù)留線孔，所述預(yù)留線孔以同樣的螺旋角度和方向盤繞在所述主體結(jié)構(gòu)內(nèi)螺旋壁4-3內(nèi)，作為電熱元件5的電熱絲密封埋置于所述預(yù)留線孔內(nèi)，用以向內(nèi)外兩層的導流通道中的流體介質(zhì)提供加熱。在雙層的螺旋導流通道之間的主體結(jié)構(gòu)內(nèi)螺旋壁4-3上開設(shè)有用以貫通兩導流層的流體通孔4-4，所述流體通孔4-4設(shè)有兩個，分別設(shè)在介質(zhì)入口處和介質(zhì)出口處。所述螺旋式內(nèi)導流通道4-1和螺旋式外導流通道4-2在軸向上的截面形狀為連續(xù)的波浪段；所述波浪段具有一波谷低點x，與所述波谷低點x相鄰的兩側(cè)高點分別定義為第一波峰高點y和第二波峰高點y1，以分別經(jīng)過波谷低點x和第一波峰高點y的兩垂直軸線的交點為原點o，則oy大于零，所述原點o至所述波谷低點x的距離ox應(yīng)小于兩個相鄰波谷低點之間的距離xx1，所述波谷低點x與第一波峰高點y之間為弧線段，所述波谷低點x與所述第二波峰高點y1之間為直線段。所述螺旋式外導流通道4-2呈螺旋盤繞在所述主體結(jié)構(gòu)內(nèi)螺旋壁4-3外圍的管腔結(jié)構(gòu)，其外周由主體結(jié)構(gòu)外套筒4-5包覆密封。在所述泵體3兩端面設(shè)有密封圈9進行密封。所述螺旋式內(nèi)導流通道4-1、螺旋式外導流通道4-2及電熱元件5在整個泵體3中的螺旋方向、螺紋升角均保持一致。

實施例2

本實施例與實施例1的不同之處在于

所述螺旋式內(nèi)導流通道4-1和螺旋式外導流通道4-2在軸向上的截面形狀為連續(xù)的波浪段，所述波浪段具有一波谷低點x，與所述波谷低點x相鄰的兩側(cè)高點分別定義為第一波峰高點y和第二波峰高點y1，以分別經(jīng)過齒根點z和第一齒尖點h的兩垂直軸線的交點為原點o，則oy大于零，所述原點o至所述波谷低點x的距離ox應(yīng)小于兩個相鄰波谷低點之間的距離xx1，所述波谷低點x與第一波峰高點y之間為弧線段，所述波谷低點x與所述第二波峰高點y1之間為弧線段。

實施例3

本實施例與實施例1的不同之處在于

所述螺旋式內(nèi)導流通道4-1和螺旋式外導流通道4-2在軸向上的截面形狀為連續(xù)的鋸齒段；所述鋸齒段具有一齒根點z，與所述齒根點z相鄰的兩側(cè)高點分別定義為第一齒尖點h和第二齒尖點h1；以分別經(jīng)過齒根點z和第一齒尖點h的兩垂直軸線的交點為原點o，則原點o至第一齒尖點h之間的距離應(yīng)大于零，即oh＞0；所述原點o至所述齒根點z之間的距離oz大于等于零或小于零，即oz≥0或oz＜0；所述原點o至齒根點z之間的距離oz應(yīng)小于兩個相鄰齒根點之間的距離zz1，即oz<zz1；所述齒根點z與所述第一齒尖點h之間為直線段，所述齒根點z與所述第二齒尖點h1之間為直線段。

以下對本發(fā)明的熱力泵系統(tǒng)的工作過程及設(shè)計原理作詳細的描述：

將本發(fā)明的熱力泵系統(tǒng)的介質(zhì)入口1和介質(zhì)出口2與散熱裝置相連，形成的是一個封閉的串并聯(lián)回路。當此回路中的流體導熱水處于自然平衡狀態(tài)時，回路中的水處于靜態(tài)無序的非循環(huán)狀態(tài)，其內(nèi)能處于無序紊亂的狀態(tài)；而當電熱元件5通電加熱時，水分子在微觀上發(fā)生了劇烈的運動變化，內(nèi)能劇增，水分子在螺旋式內(nèi)導流通道4-1和螺旋式外導流通道4-2構(gòu)成的雙層螺旋管路的結(jié)構(gòu)作用下，發(fā)生了連續(xù)的軸向渦流和徑向渦流，產(chǎn)生了有序的軸向運動，由此而產(chǎn)生液壓推力，在軸向渦流和徑向渦流的協(xié)同作用下，產(chǎn)生的類似龍卷風的螺旋渦流，使泵體對內(nèi)部介質(zhì)產(chǎn)生了泵送效應(yīng)，促使介質(zhì)從介質(zhì)入口方向向介質(zhì)出口方向流動。在整個工作過程中，該熱力泵的電熱元件與介質(zhì)之間的溫差越大，介質(zhì)的流速越快，泵吸效果越好，即泵送的吸力大小與溫差大小成正比。

本發(fā)明的熱力泵系統(tǒng)，通過在泵體上形成的雙層螺旋狀導流通道，給泵體內(nèi)部的流體介質(zhì)提供了一個連續(xù)性強且能夠產(chǎn)生泵吸效果的軸向?qū)Я骺臻g，將流體介質(zhì)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成熱量載體的有序的軸向直線運動，在這個過程中，流體介質(zhì)在泵體內(nèi)做強制性流動，微觀狀態(tài)下，流體介質(zhì)分子的無序運動逐漸向有序的運動方向轉(zhuǎn)變。

本發(fā)明的熱力泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)換熱裝置相比，將熱能直接轉(zhuǎn)化為液壓能的能力大大提高，轉(zhuǎn)換過程中熱能損耗小，利用率高。本明的熱力泵除了能夠應(yīng)用在現(xiàn)有熱泵、熱管所涉及的領(lǐng)域外，還能夠廣泛的應(yīng)用于不允許有機械摩擦和化學污染的領(lǐng)域，例如人們所用的床具上。因為這種熱力泵可以用水作為介質(zhì)，并且運行過程中無任何機械摩擦，所以不產(chǎn)生噪音，是目前用于床具加熱的最理想裝置。

經(jīng)實驗表明，將本發(fā)明的熱力泵應(yīng)用于床具散熱板的加熱，能夠使床體散熱板的表面溫度達到40度以上，則一晝夜的耗電量不足0.4度，只相當于一個15瓦燈泡一晝夜的耗電量。如果將本發(fā)明的熱力泵應(yīng)用于現(xiàn)有電加熱熱水器上，至少節(jié)電20%-25%。如果將本發(fā)明熱力泵用于鍋爐、散熱器等熱交換傳遞裝置上，節(jié)能效果將會提高20%左右。

根據(jù)實驗驗證，以下給出本發(fā)明的熱力泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)供熱方式在各種指標中的性能對比：

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