专利名称：将热能转化为机械能的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种将热能转化为机械能的方法，其利用了包括多个热交換器和ー个输出轴的装置内的非气态工作介质。
背景技术：
基于经济和环境的原因，存在着尽可能充分地利用能源的巨大驱动。可以获得大量的低品质的热量，例如来自工业过程或其他来源的废热，或者通过太阳能来产生。但遗憾的是，最需要的是高品质的能源，例如可以转化为电能的机械能，其更受欢迎。W09830786(PCT/NL98/00012)公开了ー种将热能转化为机械能的方法及装置。其利用石蜡作为工作介质。石蜡这种物质在超过(有限的)温度范围时呈现超膨胀特性，即膨胀>0.01%毎。C。石蜡 膨胀率系数的典型值是0. 05%每。C，而在ー个更有限的范围内甚至将高达>0. 2%每。C。通过选择工作介质，使其超膨胀范围的上限接近加热热交换介质的温度，就可以将加热交换介质的热量高效的转化。可选的是，还可以改变加热热交换介质的温度来匹配装置内的エ作介质。W09830786中公开的装置面临的问题是，工作介质的密封，尤其是高压(可以到达200巴或更高)密封，使得这种方法较为不可靠。
发明内容
本发明的目的是提供ー种如前文所述的对于工作介质的密封问题不太敏感的方法。为此，根据前文所述的本发明，其特征在于-该装置包括多个腔室単元，腔室単元包含用于引入热交换介质的入口和用于排放热交换介质的出口以及封闭腔室，该封闭腔室具有用于实现所述封闭腔室内部的工作介质与通过所述用于引入热交换介质的入口引入到腔室単元内的热交换介质之间的热交换的热交換器壁；-腔室単元的封闭腔室包括气缸和活塞，其中封闭腔室的活塞可操作地连接至输出轴，如果所述活塞从气缸中的第一相对收缩位置向第二相对突出位置移动，则输出轴可操作的由所述活塞驱动，而如果所述活塞从第二位置向第一位置移动，则允许输出轴自由移动；其中，-具有第一高温的热交换介质被用来加热第一腔室単元中的工作介质以驱动所述输出轴；-具有第二低温的热交换介质被用来冷却第二腔室单元中的工作介质；-具有在第一温度和第二温度之间的第三温度的相对低温的热交换介质通过具有相对高温的工作介质的第三腔室単元的入口引入，以获得加热了的热交换介质；-具有在第一温度和第二温度之间的第四温度的相对高温的热交换介质通过具有相对低温的工作介质的第四腔室単元的入口引入，以加热工作介质并驱动输出轴；其中，在被具有第一温度的热交换介质加热后,第一腔室单元被用作第三腔室单元，以便从所述第三腔室単元中提取热能，从而获得加热了的热交换介质；在被具有第二温度的热交换介质冷却后，第二腔室单元被用作第四腔室单元，以便采用具有第四温度的相对高温的热交换介质来加热；在被具有第三温度的相对低温的热交换介质冷却后，第三腔室単元被用作第二腔室单兀；并且在被具有第四温度的相对高温的热交换介质加热后，第四腔室単元被用作第一腔
室単元。·这消除了在高压下将工作介质从ー个腔室移动到另一个腔室的必要，从而显著减少了密封问题。因此，在超过二十年的个人探索之后，得益于改进的密封，申请人提供了一种允许在增加的时间周期内既可靠又高效的将热能转化为机械能的方法。在本申请中，术语“热交換介质”指代用干与工作介质进行热交换的具有第一、第二、第三和第四温度的热交换介质中的任意ー种，但不指代工作介质本身。热交换介质通常是水。取决于其在装置中的位置，热交换介质可用作冷却介质或加热介质。工作介质至少在超膨胀范围的上限处是可流动的，并且通常为液体，也包括悬浮液和糊料。术语“输出轴”是指由膨胀的工作介质间接驱动的轴。该输出轴可以是能够进行往复运动和/或旋转运动的轴。和温度一起使用的形容词“高”和“低”是相对的、而不是绝对的术语。具有第三温度的相对低温的热交换介质和具有第四温度的相对高温的热交换介质的温度处于所述高温和低温之间，并且是相对于热交換介质通过的腔室単元中的工作介质的温度而言的，而不是相对于彼此而言的。在根据本发明的方法中，在第一和第二腔室単元之间通常会有至少两个第三腔室単元，以便从第三腔室単元中的工作介质上提取尽可能多的热能。同样，在第二和第一腔室単元之间通常会有至少两个第四腔室単元，以便从第四腔室単元中的工作介质传递尽可能多的热能。多个第四腔室単元的利用有利于(机械地)平稳运行。根据ー个优选的实施方式，具有至少ー对第四腔室単元，该对第四腔室単元中的第一个包含的工作介质与该对第四腔室単元中的第二个中的工作介质的温度相比，具有相对高温，其中，该对第四腔室単元中的第二个采用在与所述第一腔室単元进行过热交换后从第一腔室単元中排出的热交换介质来加热；并且该对第四腔室単元中的第一个采用从第三腔室単元中排出的相对高温的热交换介质来加热，其中该第三腔室単元的工作介质的温度最接近第一腔室単元的工作介质的温度。这在热交换介质与工作介质之间提供了相对较大的温度差，从而允许活塞做大量的功。如果热交換介质的热能容量相对于具有第二温度的热交换介质的温度可进行转化，这种操作方式将尤为有利，这在实施例部分将更详细地解释。根据ー个优选的实施方式，具有至少第二对第四腔室単元，所述第二对第四腔室単元的第一个腔室単元包含的工作介质与所述第二对第四腔室単元的第二个腔室単元中的工作介质的温度相比，具有相对高温，并且来自该对第四腔室単元中的第一个腔室単元的冷却后的热交换介质被用来加热所述第二对第四腔室单元的第一个腔室单元；且来自第一对第四腔室単元的第二个腔室単元的冷却后的热交换介质被用来加热所述第二对第四腔室単元的第二个腔室単元。虽然热交换介质与工作介质之间存在相对较大的温度差，热能更大程度上转化为机械能。根据ー个优选的实施方式，来自最后一对第四腔室单元的第一个腔室单元的冷却的热交换介质从装置中排出，并且热交換介质的损失通过引入到第一腔室単元中的具有第一温度的热交换介质来补偿；来自最后一对第四腔室单元的第二个腔室单元的冷却的热交换介质被用作相对低温的热交换介质以冷却第三腔室単元中的工作介质，其中该第三腔室単元具有最接近第二腔室単元的工作温度的工作介质温度。这种方法允许最大限度的将来自加热热交换介质的热转化为机械能。如果该装置如通常的那样包括多个第三腔室単元，来自最后一对第四腔室単元的第一个腔室的冷却的 热交换介质将被用作相对低温的热交换介质来从具有最低温度的第三腔室単元中的工作介质中提取热。根据ー个优选的实施方式，输出轴连接到发电机以产生电力。这样，就获得了非常高品质的能量。根据ー个优选的实施方式，本装置包括第二工作介质，工作介质和第二工作介质具有不同的超膨胀范围。这使得本装置可以采用更广的温度范围来加热热交换介质。工作介质和第二工作介质的超膨胀范围不同，但仍有重叠。不同的工作介质可以是不同的蜡，例如不同的石蜡。在单个的封闭腔室中容纳不同的工作介质是可行的，例如如果他们通过第二自由移动活塞彼此分隔开。可选的是，在根据本发明的方法中，具有多组腔室単元，每组含有两个(或更多)腔室単元，每组如单个的腔室単元描述的那样操作，各组的两个(或更多)腔室単元具有不同的工作介质。根据ー个优选的实施方式，热交换介质利用太阳能来加热。这是根据本发明的方法的ー个非常重要的应用。利用太阳能收集器可以非常有效率的将太阳光转化为热能，然后采用根据本发明的方法很有效率的转化。另ー个主要的优点在于热能可以存储在缓冲器中，储存一天或更长的周期，这样，即使没有太阳光时也可以产生机械能或更重要的电能。显然，使用(昂贵的)太阳能电池板，这是无法实现的。最后，本发明涉及用于将热能转化为机械能的装置，该装置利用了非气态工作介质，该装置包括多个热交換器和ー个输出轴，其中-该装置包括多个腔室単元，腔室単元包含用于引入热交换介质的入口和用于在经历热交换后排放所述热交换介质的出ロ以及封闭腔室，该封闭腔室具有用于实现所述封闭腔室内部的工作介质与通过所述用于引入热交换介质的入口引入到腔室単元内的热交换介质之间的热交换的热交換器壁；-封闭腔室包括气缸和活塞，封闭腔室的活塞通过构件可操作的与输出轴连接，当所述活塞从气缸中的第一相对收缩的位置向第二相对突出的位置移动以驱动输出轴时，该构件可以驱动输出轴，而如果所述活塞从第二位置向第一位置移动，则允许输出轴自由运动；-该装置包括用于分配热交换介质的设备，使所述热交换介质经腔室单元的所述入口和出口沿热交換器壁通过，该设备可以为第一腔室単元提供具有第一高温的热交换介质，为第二腔室単元提供具有第二低温的热交换介质，为第三腔室単元提供具有在第一和第二温度之间的第三温度的热交换介质，为第四腔室単元提供具有在第一和第二温度之间的第四温度的热交换介质。因此，得益于改进的密封，提供了这样ー种装置，其在増加的时间周期上可以既可靠又高效的将热能转化为机械能。实际上，根据本发明的装置的腔室单元将是非常类似甚至相同的。热交換器壁通常是具有圆形横截面的管的一部分，以便承受在运行期间当工作介质膨胀时产生的力。封闭腔室的壁足够坚硬，以确保封闭腔内部产生的压カ能够使活塞从第一收缩的位置向第二延伸的位置移动。石蜡是优选的工作介质，因为它的成分可以改变以匹配加热热交换介质的温度。根据ー个优选的实施方式，输出轴连接到发电机以产生电力。
这样就获得了非常高品质的能量。根据ー个优选的实施方式，该装置包括控制设备，其用于启动和停止通过至少一个腔室単元的热交换介质的流动。运行控制设备，这样当热交换介质的流动在腔室単元间进行切换时，可以中断热交换介质的流动。这使得用于分配加热热交换介质和冷却热交换介质的设备较少的受到热交換介质泄漏的影响。作为替换的解决方案，可以采用旁路，但根据情况，这可能会导致热能的损失。根据ー个优选的实施方式，所述构件包括自由轮。这允许将活塞的往复运动方便的转换为轴的旋转运动。根据ー个优选的实施方式，腔室単元的活塞上设置有链轮，该装置包括框架和链条，链条的第一端被安装到所述框架上，并且链条从所述第一端绕过所述链轮井随后绕过自由轮。当活塞从气缸中的第一相对收缩的位置向第二相对突出的位置移动时，链轮被从气缸推离，而自由轮开始驱动输出轴。如果腔室被冷却，则工作介质收缩，并且活塞从气缸中的第二相对突出的位置向第一相对收缩的位置移动。于是自由轮将在相反的方向上自由移动，并且活塞不会做功。链条将采用重型链条，例如机车的链条。根据ー个优选的实施方式，第三腔室単元的活塞与第四腔室単元的活塞相对对齐，链条的第二保留端同样连接到框架上，第三和第四腔室単元都具有各自的链轮和自由轮，但共享链条，该装置设置有用于保持链条绷紧的拉紧机构。这种链条差动的使用使得拉紧机构的数量減少。相対的腔室単元的相位差优选为180°。拉紧机构可以包括橡皮圈、盘簧或其他任何装置。该拉紧机构在工作过程中可以被拉长。根据ー个优选的实施方式，用于给腔室单元分配热交换介质的设备包括第一部件和第二部件，所述第一部件可相对于所述第二部件绕第一方向上的旋转轴旋转，所述第一部件包括多个直通通道，这些直通通道中每ー个都连接所述第一部件的两个表面区域，而且适于将热交换介质在腔室単元中来回传递，而所述第二部件包括管道布置，其中-对多个腔室単元的每ー个腔室单元而言，所述第一部件包括至少ー个用于将热交换介质传递给腔室単元的第一通道和至少ー个用于使热交换介质流过所述腔室単元的第二通道；第一通道具有面对所述第二部件的入口端和不面对所述第二部件的出ロ端；所述第二通道具有面对所述第二部件的出口端和不面对所述第二部件的入口端，第一通道的入口端在圆心位于旋转轴上的圆的圆周上均匀间隔分布，并且第二通道的出口端在圆心位于旋转轴上的第二圆的圆周上均匀间隔分布；-所述第二部件的管道布置包括多个直通通道，这些直通通道具有#入口，其用于密封地连接到第一部件的第二通道的出ロ、连接到用于具有第一高温的热交换介质的入口和连接到用于具有第二低温的热交换介质的入口，以及#出口，其用于密封地连接到第一部件的第一通道的入口、用于从该装置中排出热交换介质的出口；第二部件的所述入口分布在第一圆上，并且第二部件的所述出口分布在第二圆上，且所述第二部件的直通通道可以使与特定腔室単元相连的第一部件的第二通道的出口和连接至不同的腔室単元的第一部件的第一通道的入口相连。·第二部件确定了热交换介质应该流经不同的腔室単元的路径。术语“均匀间隔”允许偏差，只要相対的旋转可以让期望的通道相连而又没有热交换介质泄漏就可以。第一和第二圆可以具有相同的半径(将在下文讨论的实施例中说明)。
下面，将结合附图对本发明进行更详细的说明图Ia显示了适于在根据本发明的方法和装置中使用的腔室単元的剖视图；图Ib显示了图Ia的腔室单元的仰视图；图2是显示适于在根据本发明的方法和装置中使用的石蜡的超膨胀特性的图表；图2描绘的图表阐明了工作介质的超膨胀；图3显示了可操作地连接至轴的腔室単元；图4a_c示意性的显示了 12个腔室单元的布置，各个腔室单元中工作介质的加热/冷却热循环的相位不同；图5显示了腔室単元的仰视示意图和用于第一种操作方式时的连接方式；图6显示了根据本发明的装置的已实现的实施方式的细节(俯视图)，带有4个辅助轴；图7显示了装置的主视图，辅助轴通过链条结合以驱动输出轴；图8a显示了用于控制通过根据本发明的装置的热交换介质的流动的多路阀的截面图；图8b显示了图8的多路阀沿线VIII-VIII的截面图；以及图9显示了图5的腔室単元的仰视示意图的变体以及用于可选操作方式时的连接方式。
具体实施例方式图Ia示出的腔室单元100包括三个具有圆形横截面的铜管101，铜管101具有两个共同的端部102。腔室单元100设置有具有活塞104的气缸103。图Ib显示了图Ia的腔室単元100的局部剖开仰视图。
铜管101封闭在第二管106内，这里第二管采用塑料软管的形式，其具有用于热交换介质的入口 107和用于所述热交换介质的出口 108。热交换介质通常为水，但也可以是不同的组合物。铜管101、气缸103和活塞104限定出封闭腔室105，该腔室容纳具有超膨胀的エ作介质。合适的工作介质的ー个例子是石蜡VP858(沙索，汉堡，德国)。为了防止工作介质从封闭腔室105逸出，提供有密封环176，特氟隆密封活塞104。图2显示了该石蜡随温度的膨胀特性。很显然，在ー个有限的温度范围内，石蜡展现出了非常大的膨胀，且该范围特别适合用于将热能转化成机械能。铜管101将作为热交换壁，用于流经所述第二管106的热交换介质和存在于封闭腔室105内部的工作介质之间的热传递。虽然如果铜管101的一端102被闭合也是可行的，为获得最佳的操作，将铜管101的两端102都通向气缸103。 使用中会注意到，封闭腔室105内的工作介质在加热时将处于高压状态，通常为数百巴。出于这个原因，优选的是所述第二管106包住第一管101，而不采用其他的方式。虽然铜是ー种优选的材料，因为它是一个很好的热导体，但应该注意的是，管101将承受很大的力。出于这个原因，在使用铜来制造管101时，将使用高品质的铜。市场上有合适的铜管出售，例如可从维兰德(德国乌尔姆)获得的铜管xyz。如果封闭腔室105内的工作介质相对较冷，而通过所述第二管106的热交换介质相对较热，活塞104将从气缸103内的相对收缩位置(对应于图Ia中所示的相对收缩状态)移动到相对延伸位置。在移动期间，活塞104可施加非常大的力。如果由于工作介质相对较热并且热交换介质相对较冷，活塞104反向移动时，活塞104不能执行任何有用的工作，因为这将导致封闭腔室105内部的负压。图3示出了带有两个相同但相面对的腔室单元100、100'(部分示出)的框架110，其将用于显示如何将活塞104施加的力传递到辅助轴109上。在图3中，腔室単元100的部件不带撇号，而对应的腔室单元100'的部件则带。腔室单元100、100'被安装到框架110上。分别具有两个端部112和113的链条111通过所述端部112、113与框架110相连。活塞104的远(突出)端设置有链轮114，并且辅助轴109上设置有自由轮链轮115。链条111经过链轮114和自由轮链轮115。如果活塞104延伸，链条111将在第一旋转方向驱动辅助轴109，而如果活塞104收缩，自由轮链轮115将允许链条相对于辅助轴109移动，而不会在与所述第一旋转方向相反的方向上驱动所述辅助轴109。这样，活塞104的直线运动转换成了辅助轴109的旋转运动。如果只有一个活塞104来驱动辅助轴109，热能到机械能的转化将无法产生持续的机械能输出。由于这个原因，根据本发明的方法使用了通过不同相位驱动的多个的腔室単元，将不同温度的热交换介质在任意指定时间通过这些腔室単元从而获得不同相位。在图3中，驱动辅助轴109'的腔室単元100'相对于驱动辅助轴109的腔室単元100在相位上相差180°，而特定辅助轴将以不同的(中间)相位差来驱动。也就是说，借助于各自的带有链轮114的活塞104，采用多个在不同的相位操作的腔室単元100来驱动辅助轴109。同样，多个腔室単元100'将用来驱动辅助轴109'。值得注意的是，该装置的ー个特性是，实际驱动共同的辅助轴的腔室単元的封闭腔室内的压カ将是相同的，即使它们不具有相同的相位。实际压力依赖于几个因素，其中包括在输出轴的负载。因为将有多个第四腔室単元，这导致了平稳运行，并且已经最大限度地延长其活塞的第一腔室単元可以停止输送机械能，而第二腔室単元可以作为第四腔室起作用而不导致冲击效应。采用了带链轮117的 弹簧116来保持链条111拉紧，其中弹簧116安装到框架110上。在腔室单元100和100'之间相位差为180°的情况下(优选的)，链轮117在持续工作期间几乎不会有任何移动，并且弹簧116主要用于使链条111从启动阶段(当腔室単元100、100'中的工作介质是冷的，而且相対的活塞的远端进一步分开)即为拉紧的。本发明的ー个重要方面是，一旦腔室单元100内部的工作介质通过热交换介质被加热，该热量在很大程度上将被回收用于随后加热相对低温的工作介质。这涉及到多个第三腔室単元100的使用，以及通过所述腔室単元100的第二管106的热交换介质的分配，这些将在下文中更详细地进行解释。图4a_c显示了 24个腔室単元100的布置示意图，其分成12组工作，每组两个腔室単元，各组的腔室単元100内的工作介质的加热/冷却热循环的相位不同。因此，腔室单元100的活塞104从腔室単元的气缸103延伸出来的长度也不同。箭头指示活塞104的运动方向。因此，通过使用多个在不同相位工作的腔室単元，能够以连续的方式传递机械能。需要指出的是，对于ー组的两个腔室単元，其中一个腔室単元可包括第一工作介质，而另ー个腔室単元可包括另ー种工作介质，该工作介质具有与第一工作介质不同但有重叠的超膨胀范围。这允许了较大的工作温度范围(尽管代价是降低了热能转化成机械能的效率)。图4显示了通道803、入口 804、806和出口 804，这些将在下面參考图8进行讨论。一旦腔室单元中的工作介质的温度和与它进行热交换的热交换介质的温度接近，则改变通过腔室単元的热交换介质的流动，从而使工作介质收缩或膨胀。存在两种主要的操作方式，这两者都将在下面进行解释。根据第一种主要操作方式，具有第一温度的相对热的热交换介质，通常是热水，被引入到(第一)腔室単元100的入口 107中，从而加热已经相对高温的工作介质。热交换后，热交换介质传递至含有相对低温的工作介质的另ー个(第四)腔室单元来加热相对低温的工作介质。这优选重复一次或更多次，这样已经有点冷却的热交换介质被用来加热(第四)腔室単元100的相对低温的工作介质。这使得热交换介质可以释放出其大部分热能，并且由相应的(第四)腔室単元100来执行工作。冷却下来的热交换介质现在用于从(第三)腔室単元100内的工作介质中回收热能，该工作介质与第三温度的热交换介质相比相对温暖些。一旦温度稍微提高后，热交换介质传递至另ー个(第三)腔室単元100等，直到热交换介质足够热以加热第四腔室100内的工作介质，并且优选的是，多个第四腔室具有不同温度的工作介质，以便利用热交换介质的热能来执行工作，且导致了随后被排出的相对低温的热交换介质。为了确保即使在热交换介质不是很热的情况下，热交换介质也可以加热工作介质，其中一个腔室単元100 (第二腔室単元)内的工作介质被冷却，并且在那里失去了ー些热能。本实施方式特别适宜于期望在很大程度上提取热能的情况，例如热存储存在时。一个实际的例子是这样的一个建筑物，其设置有用于在白天收集热量的太阳能板，将热量存储在缓冲器中，并在任何所需的时间，通过耗尽缓冲器来产生电能。
为了解释特定实施方式中的热交换介质的流动，參见附图5，图5是12个腔室単元100的布置的仰视图。俯视图将显示12个腔室単元100'的类似布置。后者的布置和下面将讨论的腔室单元100的布置类似地操作。热交换介质(水)和工作介质(石蜡)的温度仅仅是为了解释的目而给出。图5示出了ー个第一腔室单元501-1，六个第四腔室单元502-4至507-4，ー个第ニ腔室单元508-2和四个第三腔室单元509-3至512-3。第四腔室单元形成三对502-4 和 503-4 构成第一对；504-4和505-4构成第二对；以及506-4和507-4构成第三对。对于第一对，502-4的工作介质比503-4的工作介质的温度高。
对于第二对，504-4的工作介质比505-4的工作介质的温度高。对于第三对，506-4的工作介质比507-4的工作介质的温度高。温度超过70°C的热的热交换介质，例如通常要使用诸如冷却塔处理的热水，被引入第一腔室単元501-1中。在那里，它将工作介质加热到工作介质在此处描述的热循环中能达到的最高温度，70°C。在该热交换过程中，热交换介质稍微冷却，然后它被传递给第四腔室単元503-4，在那里将工作介质加热到50°C。由于释放了更多的热量，热交换介质再ー次被冷却，然后被用于将第四腔室単元505-4的工作介质加热到30°C。从那里，热交换介质被传递以加热第四腔室単元507-4中的工作介质。第四腔室単元507-4中的工作介质已经预先采用〈20°的冷水来冷却(当目前标明为505-4的第四腔室单元是第二腔室单元508-2时)。现在，来自具有第三低温的单元507-4的相对低温的热交换介质被用于连续的从第三腔室単元509-3至512-3回收热量，结果是升温后的热交换介质被传递至第四腔室单元502-4以加热其工作介质。从第四腔室单元502-4开始，在被排出到例如另ー个缓冲器中，或者排出到地表水上之前，热交换介质被用来分别加热第四腔室单元504-4和506-4中的工作介质。然而，根据ー个高度优选的实施方式，例如利用太阳能或地热能，水被再加热至>70°，以加热第一腔室单元501-1。在实际构建的该装置中，如上面所讨论的腔室単元实际上由两个腔室単元a、b组成，这两个腔室単元作为ー个単一的腔室单元来操作。附图反映了这一点，发明人根据可用部件因而采用了这种设计选择。该装置将热能转换成功的效率可以超过20%。图6示意性地显示了本发明的实际实现的实施方式(俯视图)，其具有4个用于腔室单元100的辅助轴109。辅助轴109通过锥形齿轮181耦合。为了让图6能够同时显示装置的下半部分的辅助轴109和装置的上半部分的辅助轴109'，前者被画的短了ー些。图7显示了根据本发明的装置的主视图。辅助轴109、109'可操作地连接至输出轴119。图7 (其中的腔室单元已省略)显示了框架110和4个平行辅助轴109、109'的端部。这些辅助轴109、109'上设有链轮170，并通过链条161、162(—个链条用于输出轴119的一个链轮171)来驱动配有两个链轮171 (二者前后布置，因此只表明了ー个)的输出轴119。提供有两个辅助链轮181、182分别用于拉紧链条161、162。利用根据本发明的方法和装置，工作介质并未从ー个腔室単元移动到另一个腔室単元，而是保持在其所处的位置。热循环涉及的是腔室単元在热循环的不同的时间具有不同的作用。他们依次为第一、第三、第二和第四腔室単元。这需要相应地控制要供应到腔室单元的热交换介质流。根据ー个有利的实施方式，可以使用多路阀完成，如图8a和8b中的截面图所示。第一圆形部分801相对于静止部分802旋转。静止部分802包含多个通道803、803'，这些通道通过管106 (在图Ia中可见)与腔室单元的入口 107和出口 108相连。第一圆形部分801限定了与图5中所示的热交换介质的期望分配方式相对应的路径。第一部分801具有用于传递至第一腔室单元501-1中的热的热交换介质的入ロ 804，以及用于排放来自第四腔室单元506-4的耗尽的热交换介质的出ロ 805。还具有用于传递通过第二腔室单元508-2的冷却热交换介质的入口 806，以及用于排出冷却热交换介质的出ロ 807。这可以是ー个闭环，例如在提供了液态空气热交換器的情况下。在运行中，利用电机847 (图8b)使第一圆形部分不连续的旋转。在实际的旋转过程中，热交换介质的流动将被中断，以便减少热交换介质的泄漏的可能性。一旦入口 804和出ロ 805与通道803、803'对准，则热交换介质的供应将被恢复。应当注意的是，为了获得最佳性能，热交换介质通过腔室単元100的流动应该在 量和时间上进行控制。如果工作介质充分加热，则热交换介质的持续时间和/或量应该增カロ。如果能量转化效率下降，则热交换介质的持续时间和/或量应该減少。再次參考图4，其显示了图8的通道布置的示意线性布局。第二种主要操作方式在闭环中利用热交换介质。热交换介质简单地从ー个腔室单元传递到下一个腔室単元。但是，在腔室单元以及下一个腔室単元之间，热交換介质可以被转移到两个热交換器中的ー个中。如果下ー个腔室単元用作第二腔室単元，那么热交換介质被传递至被冷却的热交換器。如果下ー个腔室単元用作第一腔室単元，热交换介质传递到被加热的热交換器。需要提供泵，以保持热交换介质的流动。除了指出的热交换介质分布方面的差异，实际的装置可以与附图la、lb、3、6和7中描述的实施方式相同或者基本类似，在此不作进ー步的说明。图9显示了图5的腔室単元的的仰视示意图的ー个变体，以及用于可选的操作方式的连接方式。来自第四腔室单元506-4和507-4的冷却的热交换介质从这些单元中排出，并可传递至待冷却的热交換器(未显示)，向环境释放提取的热能，得到新鮮的冷却热交换介质。第二腔室单元508-2采用所述的新鲜的冷却热交换介质来冷却。这种操作方式的优点是，它更容易确保非气态的工作介质(石蜡)收缩到期望的程度，从而允许在第四腔室单元中做更多的功。本发明可以在所附的独立权利要求的范围之内进行变化。例如-腔室単元的气缸并不是必须位于端部，而可以例如处于中间位置(T形腔室)。事实上，具有多个连接到腔室的管是ー个扩大根据本发明的装置的好机会。-在第二个主要实施方式中，热交换介质自身可经受热交换以加热和/或冷却，并在分别传递到第四腔室単元和第三腔室単元之前，分别传递到第一腔室単元和第二腔室单元。这可通过采用多路阀最容易的实现，其中在第一圆形部分的ー侧有位于中心的用于加热了的热交换介质的入口，以及用于待加热的热交换介质的出口，并且在第一圆形部分的相对侧，具有位于中心的用于冷却了的热交换介质的入口和用于待冷却的热交换介质的出ロ。同心放置ー对入口和出口。选用适当的(绝缘)材料并通过保持短的平行长度，可以对该装置的能量效率基本不造成影响。本发明也非常适合于转化来自地球的热量(地热)。由于要在地里钻出的孔的长度并不主要取决于能够提取的热能的量，而是取决于任意使用时所需的温度水平，地热目前在经济方面并不具备吸引力。而受益于根据本发明的装置和方法，由于钻孔可以大 大的缩短，因此可以实现大量的节约。
权利要求
1.一种将热能转化为机械能的方法，其利用了装置内存在的非气态工作介质，该装置包括多个热交換器和ー个输出轴(119)，其特征在于 -该装置包括多个腔室单元(100、100’)，腔室单元(100、100’ )包括用于引入热交换介质的入口(107)和用于排放热交换介质的出口(108)以及封闭腔室(105)，该封闭腔室(105)具有用于实现所述封闭腔室(105)内的工作介质与通过所述用于引入热交换介质的入口(107)引入到腔室单元内的热交换介质之间的热交换的热交換器壁(101)； -腔室单元(100、100’ )的封闭腔室(105)包括气缸(103)和活塞(104)，其中封闭腔室(105)的活塞(104)可操作地连接至输出轴(119)，如果所述活塞(104)从气缸(103)中的第一相对收缩的位置向第二相对突出的位置移动，则输出轴(119)可操作地由所述活塞(104)来驱动，而如果所述活塞(104)从第二位置向第一位置移动，则允许输出轴(119)自由运动； 其中， -具有第一高温的热交换介质被用来加热第一腔室単元(501-1)中的工作介质以驱动所述输出轴(119)； -具有第二低温的热交换介质被用来冷却第二腔室单元(508-2)中的工作介质； -具有在第一和第二温度之间的第三温度的相对低温的热交换介质通过第三腔室単元(509-3)的入口(107)引入，用来获得加热了的热交换介质，其中该第三腔室单元(509-3)具有相对高温的工作介质； -具有在第一和第二温度之间的第四温度的相对高温的热交换介质通过第四腔室単元(502-4)的入口(107)引入，用来加热工作介质并驱动输出轴(119)，其中该第四腔室单元(502-4)具有相对低温的工作介质； 其中， 在被具有第一温度的热交换介质加热后，第一腔室单元(501-1)被用作第三腔室单元(512-3)，以便从所述第三腔室单元(512-3)中提取热能，从而获得加热的热交换介质； 在被具有第二温度的热交换介质冷却后，第二腔室单元(508-2)被用作第四腔室单元(507-4)，以便被具有第四温度的相对高温的热交换介质加热； 在被具有第三温度的相对低温的热交换介质冷却后，第三腔室単元(509-3)被用作第ニ腔室单元(508-2 );以及 在被具有第四温度的相对高温的热交换介质加热后，第四腔室単元(502-4)被用作第一腔室单元(501-1)。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，具有至少ー对第四腔室単元(502-4、503-4)，该对第四腔室单元(502-4、503-4)的第一个(502-4)包含的工作介质与该对第四腔室单元(502-4、503-4)的第二个(503-4)中的工作介质相比，具有相对较高的温度；其中该对第四腔室单元(502-4、503-4)的第二个(503-4)采用与所述第一腔室单元(501-1)进行热交换后从第一腔室单元(501-1)中排出来的热交换介质来加热；并且该对第四腔室单元(502-4、503-4)的第一个(502-4)采用从第三腔室单元(512-3)中排出的相对高温的热交换介质来加热，其中第三腔室单元(512-3)的工作介质的温度最接近第一腔室单元(501-1)的工作介质的温度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，具有至少第二对第四腔室単元(504-4、505-4)，所述第二对第四腔室单元(504-4、505-4)的第一个腔室单元(504-4)包含的工作介质与所述第二对第四腔室単元(504-4、505-4)的第二个腔室単元(505-4)中的工作介质相比，具有相对较高的温度，并且来自第一对第四腔室单元(502-4、503-4)的第一个腔室单元(502-4)的冷却后的热交换介质被用来加热所述第二对第四腔室单元(504-4、505-4)的第一个腔室単元(504-4)，且来自第一对第四腔室単元(502-4、503-4)的第二个腔室単元(503-4)的冷却后的热交换介质被用来加热所述第二对第四腔室单元(504-4、505-4)的第ニ个腔室单元(505-4)。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在干，来自最后ー对第四腔室単元(506-4、507-4)的第一个腔室单元(507-4)的冷却后的热交换介质从装置中排出，并且热交换介质的损失通过引入到第一腔室単元(501-1)中的具有第一温度的热交换介质来补偿；且来自最后ー对第四腔室单元(506-4、507-4)的第二个腔室单元(507-4)的冷却后的热交换介质被用作相对低温的热交换介质来冷却第三腔室单元(509-3)中的工作介质，其中该第三腔室单元(509-3)具有最接近第二腔室单元(508-2)的工作温度的工作介质温度。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在干，所述输出轴(119)连接到发电机(661)以产生电力。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述装置包括第二工作介质，工作介质和第二工作介质具有不同的超膨胀范围。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述热交换介质利用太阳能来加热。
8.一种用于将热能转化为机械能的装置，其利用了非气态工作介质，该装置包括多个热交換器和ー个输出轴(119)，其特征在于 -该装置包括多个腔室单元(100、100’)，腔室单元包含用于引入热交换介质的入口(107)和用于经历热交换后排放所述热交换介质的出口(108)以及封闭腔室(105)，该封闭腔室(105)具有用于实现所述封闭腔室(105)内的工作介质与通过所述用于引入热交换介质的入口(107)引入到腔室单元内的热交换介质之间的热交换的热交換器壁(101)； -封闭腔室(105)具有气缸(103)和活塞(104)，封闭腔室(105)的活塞(104)通过构件(115)可操作地连接至输出轴(119)，如果所述活塞(104)从气缸(103)中的第一相对收缩的位置向第二相对突出的位置移动以驱动输出轴(119)，该构件(115)驱动输出轴(119)，而如果所述活塞(104)从第二位置向第一位置移动，则允许输出轴(119)自由运动； -该装置包括用于分配热交换介质的设备(800)，使所述热交换介质通过腔室单元(100、100，)的所述入ロ( 107)和出口( 108)沿热交換器壁(101)通过，该设备(800)为第一腔室単元(501-1)提供具有第一高温的热交换介质，并且为第二腔室単元(508-2)提供具有第二低温的热交换介质，为第三腔室単元(509-3)提供具有在第一和第二温度之间的第三温度的热交换介质，且为第四腔室単元(502-4)提供具有在第一和第二温度之间的第四温度的热交换介质。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述输出轴(119)连接到发电机(661)以产生电力。
10.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，所述装置包括控制设备(847)，其用于启动和停止通过至少一个腔室単元(100、100’ )的热交换介质的流动。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的装置，其特征在于，所述构件(115)包括自由轮。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，腔室単元(100)的活塞(104)上设置有链轮(114)，该装置包括框架(110)和链条(111)，链条(111)的第一端(112)被安装到所述框架(110)上，并且链条(111)从所述第一端(112)绕过所述链轮(114)井随后绕过自由轮(115)。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，第三腔室単元(100’)的活塞(104)与第四腔室単元(100)的活塞(104)相对对齐，链条(111)的第二保留端(113)安装到框架(110)上，并且第三和第四腔室单元(100、100’ )都具有各自的链轮(114、114’)和自由轮，但共享链条(111)，该装置具有用于保持链条(111)绷紧的拉紧机构(116、117)。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的装置，其特征在干，用于给腔室単元(100、100’ )分配热交换介质的设备(800)包括第一部件(802)和第二部件(801)，所述第一部件(802)可相对于所述第二部件(801)绕第一方向上的旋转轴旋转，所述第一部件(802 )包括多个直通通道，这些直通通道中的每ー个都连接所述第一部件(802)的两个表面区域，而且适于将热交换介质在腔室单元(100、100’ )中来回传递，而所述第二部件(801)包括管道布置，其中 -对多个腔室単元(100、100’ )中的每ー个腔室单元而言，所述第一部件(802)包括至少ー个用于将热交换介质传递给腔室単元的第一通道(803)，和至少ー个用于使热交換介质流过所述腔室単元的第二通道(803’ );第一通道(803)具有面对所述第二部件(801)的入口端和不面对所述第二部件(801)的出口端；所述第二通道(803’)具有面对所述第二部件(801)的出口端和不面对所述第二部件的(801)的入口端，第一通道(803 )的入口端在圆心位于旋转轴上的圆的圆周上均匀间隔分布，并且第二通道(803’)的出口端在圆心位于旋转轴上的第二圆的圆周上均匀间隔分布； -所述第二部件(801)的管道布置包括多个直通通道，这些直通通道具有 #入口，其密封连接到第一部件(802)的第二通道(803’ )的出口、用于具有第一高温的热交换介质的入口和用于具有第二低温的热交换介质的入口，和 #出口，其用于密封地连接到所述第一部件(802)的第一通道(803)的入口、和用于从该装置中排出热交换介质的出口； 第二部件(801)的所述入口分配在第一圆上，并且第二部件(801)的所述出口(801)分布在第二圆上，并且 所述第二部件(801)的直通通道可以使与特定腔室単元相连的第一部件(802)的第二通道(803’)的出口和连接至不同的腔室単元的第一部件(802)的第一通道(803)的入口相连。
全文摘要
本发明涉及一种将热能转化为机械能的方法，其利用了装置内存在的非气态工作介质，该装置包括多个热交换器和一个输出轴。根据本发明，采用的装置包括多个腔室单元，腔室单元具有用于引入热交换介质的入口和用于排放热交换介质的出口以及封闭腔室，该封闭腔室具有用于实现所述封闭腔室内的工作介质与通过所述用于引入热交换介质的入口引入到腔室单元内的热交换介质之间的热交换的热交换器壁，并且热交换介质在周围传送，从而当其向容纳有相对低温的工作介质的腔室单元放热时作功，且当其流过容纳有相对高温的工作介质的腔室单元时回收热量。本发明还涉及用于执行该方法的装置。
文档编号F01K25/02GK102971497SQ201080067435
公开日2013年3月13日 申请日期2010年11月19日 优先权日2010年6月18日
发明者J.A.范德韦夫 申请人:环动态私人有限公司