专利名称：非共轭零距高低温热源热气机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及热能与动力领域，尤其是一种非共轭零距高低温热源热气机。
背景技术：
传统热气发动机，即斯特林发动机的应用日趋广泛，但是其机构复杂，加热区和冷 却区的面积和加热及冷却时间均受限，为此，急需发明一种结构简单，加热和冷却效率高， 功率和体积之比高的新型热气发动机。
发明内容为了解决上述问题，本实用新型提出的技术方案如下一种非共轭零距高低温热源热气机，包括压气机、冷却器、加热器和爆排发动机， 所述压气机的气体工质出口与所述冷却器的气体工质入口连通，所述冷却器的气体工质出 口与所述加热器的气体工质入口连通，所述加热器的气体工质出口与所述爆排发动机的气 体工质入口连通，所述爆排发动机的气体工质出口与所述压气机的气体工质入口连通，所 述爆排发动机对所述压气机输出动力或迂回输出动力，所述爆排发动机对外输出动力。在所述爆排发动机的气体工质出口与所述压气机的气体工质入口之间设排气冷 却器。在所述压气机上设压气机冷却器。在所述爆排发动机上设爆排发动机加热器。在所述压气机和所述冷却器之间、所述冷却器和所述加热器之间、所述加热器和 所述爆排发动机之间、所述爆排发动机和所述压气机之间、所述压气机上和/或所述爆排 发动机上设控制阀。在所述爆排发动机的气体工质出口与所述压气机的气体工质入口之间设排气热 交换器，所述冷却器的出口经所述排气热交换器与所述加热器的气体工质入口连通，利用 排气的热量将经过所述冷却器冷却后的工质加热后进入所述加热器进一步加热再进入所 述爆排发动机内膨胀作功。所述压气机设为叶轮压气机。所述爆排发动机设为动力叶轮机。所述压气机设为活塞式压气机。所述爆排发动机设为活塞式爆排发动机。本实用新型虽然是热气发动机，但是与传统热气发动机(即斯特林发动机)不同， 在斯特林发动机中，工质是在单一通道内往复流动，这就给加热区和冷却区带来相当的限 制，使加热效率和冷却效率都受影响。不仅如此，在斯特林发动机中，由于工质往复流动，所 以无论是加热区还是冷却区都不能进行对流传热，因此传热效率及加热后的最高温度和冷 却后的最低温度都受影响，进而影响发动机的效率和功率强度。而本实用新型所公开的非 共轭零距高低温热源热气机中工质的流动是按单一方向进行的，形成一个单一流动方向的闭合回路，这样就克服了斯特林发动机的上述缺陷。本实用新型的原理是将经所述压气机压缩后产生的高压气体工质在所述冷却器 中放热降温后进入所述加热器，在所述加热器中吸收热量提高温度后进入所述爆排发动 机，在所述爆排发动机中膨胀作功后再进入所述压气机进入下一个工作循环。本实用新型中的动力叶轮机与叶轮压气机可以同轴设置，也可以非同轴设置，动 力叶轮机对叶轮压气机可直接输出动力，也可以间接输出动力。本实用新型所公开的非共轭零距高低温热源热气机由于气体工质是处于闭合循 环状态，所以可以采用效率较高的工质如氦气等；由于加热是采用外燃形式加热，所以可以 使用各种燃料，而且由于属于连续燃烧，所以燃烧更容易控制，燃烧效率和排气会更好。本实用新型所公开的非共轭零距高低温热源热气机由于加热区和冷却区均是连 续工作，而且加热区和冷却区的传热面积不受限制，所以传热负荷和效率会有大幅度提高。本实用新型所述控制阀的开启和关闭根据工作过程加以控制，所述的压气机和所 述爆排发动机的排量和/或工作相位可设为不同。本实用新型所述压气机冷却器的设置是 为了实现气体工质的恒温或近恒温压缩过程，所述爆排发动机加热器的设置是为了实现气 体工质的恒温或近恒温膨胀过程。所谓的恒温是指温度保持不变的过程，恒温压缩是指温 度保持不变的压缩过程，恒温膨胀是指温度保持不变的膨胀过程；所谓近恒温是指温度趋 于不变的过程，近恒温压缩是指温度趋于不变的压缩过程，近恒温膨胀是指温度趋于不变 的膨胀过程。本实用新型中的压气机是指分别具有气体工质入口和气体工质出口的一切可以 使气体工质增压的装置，例如叶轮压气机、活塞式压气机、螺杆式、齿轮式和转子式压气机 等；所谓的气体工质是指在冷却器中不冷凝的不发生相变的气体，如氦气、氢气、氩气等； 所谓加热器是指一切可以对气体工质进行外部加热的装置，可以是用火焰直接进行的外部 加热的装置，也可以是用热交换器对气体工质进行加热的装置；所谓的爆排发动机是指只 有作功过程和排气过程的作功机构，这种作功机构的工作过程是将预先准备好的气体工质 (多为高温高压气体或高压气体)充入作功机构内，在机构内不再进行压缩就进行膨胀作 功，在膨胀作功后将气体工质排出的作功机构，例如只进行作功冲程和排气冲程的活塞式 作功机构以及叶轮式作功机构(如动力透平等)等；所谓冷却器是指一切可以对气体工质 进行冷却的装置，可以是散热器或热交换器；所谓叶轮压气机是指能够压缩气体工质的叶 轮式或涡轮式压气机，包括轴流式、径流式、混流式；所谓动力叶轮机是指在气体工质作用 下能将气体工质的压力能和热能转换成动力的叶轮式装置或涡轮式装置；所谓“所述爆排 发动机对所述压气机输出动力”是指所述爆排发动机对所述压气机直接输出动力或经齿轮 等机构的间接输出动力；所谓“所述爆排发动机对所述压气机迂回输出动力”是指所述爆排 发动机将动力输出到一个动力源中，再由这个动力源对所述压气机输出动力；所谓的非共 轭是指所述压气机和所述爆排发动机由两个不同的机构来分别实现气体工质的压缩和作 功，所谓的零距是指所述冷却器和所述加热器连续设置的结构形式。本实用新型所公开的 非共轭零距高低温热源热气机中所述压气机和所述爆排发动机之间的传动比可设为可调 式，以使所述非共轭零距高低温热源热气机在不同转速情况下均能保持高效工作状态。本实用新型所公开的非共轭零距高低温热源热气机，特别是本实用新型所公开的 非共轭零距高低温热源热气机的某些实施例中具有相当高的密闭性，所以可以在闭合通道中充入高压气体工质(即发动机处于非工作状态时，通道内的气体工质的压强处于较高或 相当高的水平)，增加气体工质的密度，从而增加传热效率和功率密度，而且可以使循环压 比增高，提高效率。本实用新型中所谓连通是指直接连通、经过若干过程(包括与其他物质混合等) 的间接连通或经泵、控制阀等受控连通。本实用新型中的加热器也可以是利用太阳能对气 体工质进行加热的装置。本实用新型中的压气机包括多级压气机和带中间冷却的多级压气 机。本实用新型中为了提高加热和冷却效率，可以在压气机上设置冷却装置，在爆排 发动机上设置加热装置，还可以在压气机设为活塞式压气机和爆排发动机设为活塞式爆排 发动机的结构中，活塞式压气机和活塞式爆排发动机都采用多个小径气缸的形式。本实用 新型在压气机设为活塞式压气机和爆排发动机设为活塞式爆排发动机的结构中，需要在气 体工质流动的通道上设控制阀，以实现气体工质按设计方向流动。控制阀的设置位置可以 是活塞式压气机的气体工质入口处、气体工质出口处，活塞式压气机的气体工质入口处、气 体工质出口处，以及气体工质流动的通道上。在设置动力叶轮机或叶轮压气机的结构中，由 于动力叶轮机和压气机的转速可能达到相当高的水平，为了有效的降低转速，可以采用磁 齿轮减速器；在这种结构中，对于高速旋转轴，可以采用磁悬浮轴承或气悬浮轴承。本实用新型的有益效果如下本实用新型结构简单、效率高、噪声低。
[0026]图1为本实用新型实施例1的结构示意图；图2为本实用新型实施例2的结构示意图；图3为本实用新型实施例3的结构示意图；图4为本实用新型实施例4的结构示意图；图5为本实用新型实施例5的结构示意图；图6为本实用新型实施例6的结构示意图；图7为本实用新型实施例7的结构示意图；图8为本实用新型实施例8的结构示意图；图9为本实用新型实施例9的结构示意图；图10、11、12和13为本实用新型实施例10的结构示意图[0036]图14为本实用新型实施例11的结构示意图；[0037]图15为本实用新型实施例12的结构示意图。
具体实施方式
实施例1如图1所示的非共轭零距高低温热源热气机，包括压气机1、冷却器2、加热器3和 爆排发动机4，所述压气机1的气体工质出口与所述冷却器2的气体工质入口连通，所述冷 却器2的气体工质出口与所述加热器3的气体工质入口连通，所述加热器3的气体工质出 口与所述爆排发动机4的气体工质入口连通，所述爆排发动机4的气体工质出口与所述压气机1的气体工质入口连通，所述爆排发动机4对所述压气机1输出动力或迂回输出动力， 所述爆排发动机4对外输出动力。本实施例的原理是将经所述压气机1压缩后产生的高压 气体工质在所述冷却器2中放热降温后进入所述加热器3，在所述加热器3中吸收热量提高 温度后进入所述爆排发动机4，在所述爆排发动机4中膨胀作功后再进入所述压气机1进入 下一个工作循环，这样就可以实现气体工质的流动按单一方向进行，形成一个单一流动方 向的闭合回路，克服了传统斯特林发动机的工质往复流动的缺陷。所述压气机1设为叶轮 压气机101，所述爆排发动机4设为动力叶轮机401，这样设置的目的是为了充分利用叶轮 压气机101和动力叶轮机401的高转速、体积小、流量大的优势。实施例2如图2所示的非共轭零距高低温热源热气机，其与实施例1的区别在于在所述爆 排发动机4的气体工质出口与所述压气机1的气体工质入口之间设排气冷却器5，将经过膨 胀作功的气体工质冷却降温后再进入所述压气机1，提高所述压气机1的压气效率，进而提 高发动机的效率。实施例3如图3所示的非共轭零距高低温热源热气机，其与实施例1的区别在于在所述压 气机1上设压气机冷却器6，实现所述气体工质的恒温或近恒温压缩，提高压气机的效率， 进而提高发动机的效率。实施例4如图4所示的非共轭零距高低温热源热气机，其与实施例3的区别在于在所述爆 排发动机4上设爆排发动机加热器7，实现所述气体工质的恒温或近恒温膨胀，提高发动机 的效率。实施例5如图5所示的非共轭零距高低温热源热气机，其与实施例1的区别在于所述压气 机1设为活塞式压气机102，所述爆排发动机4设为活塞式爆排发动机402，在所述活塞式 压气机102的气体工质入口处设置一个控制阀8，在所述活塞式爆排发动机402的气体工质 入口处设置一个控制阀8，实现所述气体工质不往复流动，只按一个方向定向循环流动。实施例6如图6所示的非共轭零距高低温热源热气机，其与实施例2的区别在于所述压气 机1设为活塞式压气机102，所述爆排发动机4设为活塞式爆排发动机402，在所述活塞式 压气机102的气体工质入口处设置一个控制阀8，在所述活塞式爆排发动机402的气体工质 出口处设置一个控制阀8，实现所述气体工质不往复流动，只按一个方向定向循环流动。实施例7如图7所示的非共轭零距高低温热源热气机，其与实施例1的区别在于所述压气 机1设为活塞式压气机102，所述爆排发动机4设为活塞式爆排发动机402，在所述压气机1 上设压气机冷却器6，在所述爆排发动机4上设爆排发动机加热器7，在所述活塞式压气机 102的气体工质出口处设置一个控制阀8，在所述活塞式爆排发动机402的气体工质入口处 设置一个控制阀8，实现所述气体工质不往复流动，只按一个方向定向循环流动。在所述爆 排发动机4的气体工质出口与所述压气机1的气体工质入口之间设排气热交换器55，所述 冷却器2的出口经所述排气热交换器55与所述加热器3的气体工质入口连通，利用排气的热量将经过所述冷却器2冷却后的工质加热后进入所述加热器3进一步加热再进入所述爆 排发动机4内膨胀作功。实施例8如图8所示的非共轭零距高低温热源热气机，其与实施例7的区别在于在所述活 塞式压气机102的气体工质出口处设置一个控制阀8，在所述活塞式爆排发动机402的气体 工质出口处设置一个控制阀8，在所述爆排发动机4的气体工质出口与所述压气机1的气体 工质入口之间设排气冷却器5，将经过膨胀作功的气体工质冷却降温后再进入所述压气机 1，提高所述压气机1的压气效率，进而提高发动机的效率。实施例9如图9所示的非共轭零距高低温热源热气机，其与实施例1的区别在于所述压气 机1设为活塞式压气机102，所述爆排发动机4设为活塞式爆排发动机402，在所述活塞式 压气机102的气体工质入口和气体工质出口处设两个控制阀8，在所述活塞式爆排发动机 402的气体工质入口和气体工质出口处也设两个所述控制阀8，通过控制四个所述控制阀 8，实现等容加热和等容冷却过程。换句话说，通过四个控制阀8，使气体工质的循环更接近 于斯特林循环。实施例10如图10、11、12或13所示的非共轭零距高低温热源热气机，其与实施例9的区别 在于所述非共轭零距高低温热源热气机内只设有一个控制阀8来实现所述气体工质按一 个方向定向循环流动。图10中只在所述活塞式压气机102的气体工质入口处设置一个控 制阀8，图11中只在所述活塞式爆排发动机402的气体工质入口处设置一个控制阀8，图12 中只在所述活塞式压气机102的气体工质出口处设置一个控制阀8，图13中只在所述活塞 式爆排发动机402的气体工质出口处设置一个控制阀8。实施例11如图14所示的非共轭零距高低温热源热气机，其与实施例9的区别在于只在所 述活塞式压气机102的气体工质入口和气体工质出口处设两个控制阀8，来实现所述气体 工质按一个方向定向循环流动。实施例12如图15所示的非共轭零距高低温热源热气机，其与实施例9的区别在于在所述 活塞式爆排发动机402的气体工质入口和气体工质出口处也设两个所述控制阀8，来实现 所述气体工质按一个方向定向循环流动。
权利要求1.一种非共轭零距高低温热源热气机，包括压气机(1)、冷却器O)、加热器C3)和爆 排发动机G)，其特征在于所述压气机(1)的气体工质出口与所述冷却器O)的气体工质 入口连通，所述冷却器( 的气体工质出口与所述加热器C3)的气体工质入口连通，所述加 热器C3)的气体工质出口与所述爆排发动机(4)的气体工质入口连通，所述爆排发动机(4) 的气体工质出口与所述压气机(1)的气体工质入口连通，所述爆排发动机(4)对所述压气 机(1)输出动力或迂回输出动力，所述爆排发动机(4)对外输出动力。
2.根据权利要求1所述非共轭零距高低温热源热气机，其特征在于在所述爆排发动 机的气体工质出口与所述压气机(1)的气体工质入口之间设排气冷却器(5)。
3.根据权利要求1所述非共轭零距高低温热源热气机，其特征在于在所述压气机(1) 上设压气机冷却器(6)。
4.根据权利要求1所述非共轭零距高低温热源热气机，其特征在于在所述爆排发动 机(4)上设爆排发动机加热器(7)。
5.根据权利要求1所述非共轭零距高低温热源热气机，其特征在于在所述压气机(1) 和所述冷却器( 之间、所述冷却器( 和所述加热器( 之间、所述加热器( 和所述爆 排发动机(4)之间、所述爆排发动机(4)和所述压气机(1)之间、所述压气机(1)上和/或 所述爆排发动机(4)上设控制阀(8)。
6.根据权利要求1所述非共轭零距高低温热源热气机，其特征在于在所述爆排发动 机的气体工质出口与所述压气机(1)的气体工质入口之间设排气热交换器( )，所述 冷却器(2)的出口经所述排气热交换器(55)与所述加热器(3)的气体工质入口连通，利用 排气的热量将经过所述冷却器( 冷却后的工质加热后进入所述加热器( 进一步加热再 进入所述爆排发动机内膨胀作功。
7.根据权利要求1所述非共轭零距高低温热源热气机，其特征在于所述压气机(1) 设为叶轮压气机(101)。
8.根据权利要求1所述非共轭零距高低温热源热气机，其特征在于所述爆排发动机 (4)设为动力叶轮机(401)。
9.根据权利要求1所述非共轭零距高低温热源热气机，其特征在于所述压气机(1) 设为活塞式压气机(102)。
10.根据权利要求1所述非共轭零距高低温热源热气机，其特征在于所述爆排发动机 (4)设为活塞式爆排发动机(402)。
专利摘要本实用新型公开了一种非共轭零距高低温热源热气机，包括压气机、冷却器、加热器和爆排发动机，所述压气机的气体工质出口与所述冷却器的气体工质入口连通，所述冷却器的气体工质出口与所述加热器的气体工质入口连通，所述加热器的气体工质出口与所述爆排发动机的气体工质入口连通，所述爆排发动机的气体工质出口与所述压气机的气体工质入口连通，所述爆排发动机对所述压气机输出动力或迂回输出动力，所述爆排发动机对外输出动力。本实用新型结构简单、效率高、噪声低。
文档编号F02G1/047GK201818389SQ201020578960
公开日2011年5月4日 申请日期2010年10月27日 优先权日2010年10月27日
发明者靳北彪 申请人:靳北彪