专利名称：压气单元热气机的制作方法
技术领域：
本发明涉及热能与动力领域，尤其是一种热气机。
背景技术：
传统热气机例如斯特林发动机，其冷缸和热缸的压力基本相同，而且压缩比非常低(目前世界上最好的斯特林发动机的压缩比仅为2左右)，这些都严重影响着斯特林发动机的效率，不仅如此，冷缸和热缸之间必须具有特定的相位差，这就不可避免的影响其使用范围。因此需要发明一种新型热气机。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出的技术方案如下:方案1.一种压气单元热气机，包括气缸活塞机构、加热器、冷却器和压气装置，所述气缸活塞机构的气缸经连通通道与所述压气装置的气体入口连通，所述加热器设置在所述气缸活塞机构的气缸上和/或设置在所述连通通道上，所述冷却器设置在所述压气装置上和/或设置在所述压气装置的气体入口和所述加热器之间的所述连通通道上，在所述连通通道上设压缩气体入口，所述压气装置的气体出口与所述压缩气体入口连通。方案2.在方案I的基础上，进一步在所述压缩气体入口和所述加热器之间的所述连通通道上设填料式回热器。方案3.在方案I的基础上，进一步在所述压缩气体入口和所述加热器之间的所述连通通道上设热交换器式回热器，所述热交换器式回热器的被加热流体入口与所述压缩气体入口连通，所述热交换器式回热器的被加热流体出口与所述加热器连通。方案4.在方案3的基础上，进一步在连通所述热交换器式回热器的被加热流体出口和所述加热器的通道上设热压缩气体正时控制阀。方案8.在方案I至方案4中任一方案的基础上，所述压气单元热气机进一步还包括正时控制阀，所述压缩气体入口设在所述冷却器和所述加热器之间的所述连通通道上；所述正时控制阀设置在所述压缩气体入口和所述冷却器之间的所述连通通道上，或设在所述冷却器和所述压气装置的气体入口之间的所述连通通道上。方案9.一种压气单元热气机，包括气缸活塞机构、内燃燃烧室、冷却器和压气装置，所述气缸活塞机构的气缸经连通通道与所述压气装置的气体入口连通，所述内燃燃烧室设置在所述气缸活塞机构的气缸内和/或设置在所述连通通道内，所述冷却器设置在所述压气装置上和/或设置在所述压气装置的气体入口和所述内燃燃烧室之间的所述连通通道上，在所述连通通道上设压缩气体入口，所述压气装置的气体出口与所述压缩气体入口连通，在工质通道壁上设工质导出口。方案10.在方案9的基础上进一步将所述工质导出口设置在所述冷却器与所述内燃燃烧室之间的所述连通通道上。方案11.在方案9的基础上在所述内燃燃烧室与所述冷却器之间的所述连通通道上设填料式回热器。方案12.在方案9的基础上在所述压缩气体入口和所述内燃燃烧室之间的所述连通通道上设填料式回热器。方案13.在方案9的基础上在所述压缩气体入口和所述内燃燃烧室之间的所述连通通道上设热交换器式回热器，所述热交换器式回热器的被加热流体入口与所述压缩气体入口连通，所述热交换器式回热器的被加热流体出口与所述内燃燃烧室连通。方案14.在方案13的基础上在连通所述热交换器式回热器的被加热流体出口和所述内燃燃烧室的通道上设热压缩气体正时控制阀。方案15.在方案9的基础上将所述压气装置设为活塞式压气机；所述工质导出口设置在所述活塞式压气机的气缸上。方案16.在方案9的基础上将所述工质导出口与乏气储罐连通。方案17.将方案9至方案16中任一项的基础上,所述压气单兀热气机还包括正时控制阀，所述压缩气体入口设在所述冷却器和所述内燃燃烧室之间的所述连通通道上；所述正时控制阀设置在所述压缩气体入口和所述冷却器之间的所述连通通道上，或设在所述冷却器和所述压气装置的气体入口之间的所述连通通道上。方案18.在方案I至方案17中任一项的基础上，在连通所述压气装置的气体出口与所述压缩气体入口的通道上设压缩气体正时控制阀。方案19.在方案8的基础上，所述压气单元热气机还包括有气体做功机构，所述气体做功机构设在所述正时控制阀和所述冷却器之间的所述连通通道上。方案20.在方案17的基础上，所述压气单元热气机还包括有气体做功机构，所述气体做功机构设在所述正时控制阀和所述冷却器之间的所述连通通道上。方案21.在方案19或方案20的基础上，将所述正时控制阀设置在所述压缩气体入口和所述冷却器之间的所述连通通道上。方案22.在方案19至方案21中任一项的基础上，在连通所述压气装置的气体出口与所述压缩气体入口的通道上设压缩气体正时控制阀。方案23.在方案I至方案22中任一方案的基础上，将所述压气单元热气机的工质设为水蒸气或设为气体混合物。方案24.在方案I至方案22中任一方案的基础上，将所述压气单元热气机的循环工质设为氦气、氩气或氢气。方案25.在方案I至方案24中任一方案的基础上，将所述压气装置设为叶轮式压气机。方案26.在方案I至方案24中任一方案的基础上，将所述压气装置设为活塞式压气机。方案27.在方案I至方案24中任一方案的基础上，将所述压气装置设为由多个活塞式压气机串联构成的多级活塞式气体压缩机构。方案28.在方案18或方案22的基础上，将所述压气装置设为活塞式压气机，所述压缩气体正时控制阀与所述活塞式压气机的供气阀一体化设置，所述活塞式压气机按正时关系与所述气缸活塞机构联动。方案29.在方案I至方案24中任一方案的基础上将所述压气装置设为罗茨式压气机。方案30.在方案I至方案24中任一方案的基础上将所述压气装置设为螺杆式压气机。方案31.在方案18或方案22的基础上在连通所述压气装置的气体出口和所述压缩气体正时控制阀的通道上设储气罐。方案32.在方案I至方案31中任一方案的基础上，将所述压气装置设为活塞式压气机，所述气缸活塞机构的活塞经连杆与曲轴的连杆轴颈连接，所述活塞式压气机的活塞经连杆与同一曲轴的不同连杆轴颈连接，与所述气缸活塞机构的活塞连接的所述连杆轴颈和与所述活塞式压气机的活塞连接的所述连杆轴颈之间的相位差为180度。方案33.在方案I至方案31中任一方案的基础上，将所述压气装置设为活塞式压气机，所述气缸活塞机构的活塞经连杆与曲轴的连杆轴颈连接，所述活塞式压气机的活塞经连杆与不同曲轴的连杆轴颈连接，与所述气缸活塞机构的活塞连接的所述曲轴和与所述活塞式压气机的活塞连接的所述曲轴联动，与所述气缸活塞机构的活塞连接的所述连杆轴颈和与所述活塞式压气机的活塞连接的所述连杆轴颈之间的相位差为180度。方案34.在方案26、28、32或方案33的基础上将所述活塞式压气机设为并联的多个。方案35.在方案I至4中任一方案或方案9至16中任一方案的基础上,所述压气单元热气机还包括正时控制阀，所述压缩气体入口设在所述冷却器和所述压气装置的气体入口之间的所述连通通道上；所述正时控制阀设置在所述压缩气体入口和所述压气装置的气体入口之间的所述连通通道上。方案36.在方案I至方案35中任一方案的基础上,所述压气单兀热气机还包括低温冷源，所述低温冷源用于提供低温物质，所述低温物质用于冷却所述压气装置中和/或即将进入所述压气装置的工质。方案37.在方案9等所有设置有所述工质导出口的技术方案的基础上，所述压气单元热气机还包括附属涡轮动力机构和附属叶轮压气机，所述工质导出口与所述附属涡轮动力机构的工质入口连通，所述附属涡轮动力机构的工质出口经附属冷却器与所述附属叶轮压气机的工质入口连通，所述附属叶轮压气机的工质出口与工质闭合回路连通；在所述附属涡轮动力机构的工质出口与所述附属叶轮压气机的工质入口之间的通道上设附属工质导出口。方案38.在方案9等所有设置所述内燃燃烧室的方案的基础上，将所述内燃燃烧室排出的物质的质量流量设为大于从工质闭合回路外导入所述内燃燃烧室的物质的质量流量。方案39.在方案9等所有设置所述工质导出口的技术方案的基础上，所述压气单元热气机还包括四类门气缸活塞机构，所述四类门气缸活塞机构的供气口与所述气缸活塞机构连通，所述四类门气缸活塞机构的回充口与所述工质导出口连通。方案40.在方案9等所有设置所述内燃燃烧室的技术方案的基础上，所述压气单元热气机还包括氧化剂源、氧化剂传感器和氧化剂控制装置，所述氧化剂传感器设在工质闭合回路内，所述氧化剂传感器对所述氧化剂控制装置提供信号，所述氧化剂源经氧化剂控制阀与所述工质闭合回路连通，所述氧化剂控制装置控制所述氧化剂控制阀。
方案41.在方案I至方案40中任一方案的基础上,所述气缸活塞机构和/或所述压气装置设为活塞液体机构，所述活塞液体机构包括气液缸和气液隔离结构，所述气液隔离结构设在所述气液缸内。方案42.在方案41的基础上，所述气液缸内的气体工质对所述气液隔离结构的压力大于所述气液缸内的液体和所述气液隔离结构做往复运动时的惯性力之和。方案43.在方案I至方案42中任一方案的基础上，所述压气装置设为叶轮式压气机；在所述压缩气体入口与所述冷却器之间的通道上设涡轮动力机构，所述涡轮动力机构对所述叶轮压气机输出动力。方案44.在方案I至方案43中任一方案的基础上，进一步在所述压气装置的气体出口与所述压缩气体入口之间的通道上附属加热器。方案45.在方案44的基础上，所述附属加热器的热源设为所述加热器的余热。方案46.在方案I至方案8中任一项的基础上，将所述连通通道在和所述气缸活塞机构的气缸连通的一端分为供气通道和回充通道，所述供气通道和所述回充通道分别与所述气缸活塞机构的气缸连通，所述加热器设置在所述气缸活塞机构的气缸上和/或设置在所述供气通道上，在所述供气通道和所述回充通道上分别设正时控制阀。方案47.在方案9至方案17中任一项的基础上将所述连通通道在和所述气缸活塞机构的气缸连通的一端分为供气通道和回充通道，所述供气通道和所述回充通道分别与所述气缸活塞机构的气缸连通，所述内燃燃烧室设置在所述气缸活塞机构的气缸内和/或设置在所述供气通道内，在所述供气通道和所述回充通道上分别设正时控制阀。方案48.在方案I至方案47中任一方案的基础上,所述压气单兀热气机还包括正时控制阀，所述压缩气体入口设在所述冷却器和所述加热器之间的所述连通通道上；所述正时控制阀设置在所述压缩气体入口和所述冷却器之间的所述连通通道上，在连通所述压气装置的气体出口与所述压缩气体入口的通道上设压缩气体正时控制阀，所述气缸活塞机构设为并联的两个以上。在所有设有所述加热器的技术方案中，都可以选择性的将所述加热器具体的设为以外燃燃烧室为热源的外燃加热器，或将所述加热器具体的设为以余热为热源的余热加热器，或将所述加热器具体的设为以太阳能为热源的太阳能加热器。本发明的原理是:在所述气缸活塞机构的活塞处于上止点附近时，将经所述压气装置增压后的压缩空气直接或经所述回热器(填料式回热器或热交换器式回热器)供送到所述加热器内，在所述加热器内吸热(恒温吸热、吸热升压或吸热升温)后推动所述气缸活塞机构的活塞下行对外做功，当所述气缸活塞机构的活塞下行到一定程度时停止向所述加热器内供送压缩空气，当所述气缸活塞机构的活塞趋近下止点时(或越过下止点时)打开所述正时控制阀，气体工质直接或经所述回热器(填料式回热器或热交换器式回热器)进入所述冷却器并在所述冷却器内被冷却后进入所述压气装置，如此循环周而复始对外做功。本发明中，所述四类门气缸活塞机构是指气缸上设有进气口、排气口、供气口和回充口，在所述进气口、所述排气口、所述供气口和所述回充口处依次对应设置进气门、排气门、供气门和回充门的气缸活塞机构。本发明中，通过调整所述工质闭合回路的工作压力以及所述气缸活塞机构的排量，以控制所述气缸活塞机构的质量排量，使所述内燃燃烧室排出的物质的质量流量M2大于从所述工质闭合回路外导入所述内燃燃烧室的物质的质量流量M1，也就是说除了从所述工质闭合回路外导入所述内燃燃烧室的物质外，还有一部分物质是从所述工质闭合回路中导入所述内燃燃烧室的，由于所述内燃燃烧室是设置在所述工质闭合回路内的，所以也就是说从所述内燃燃烧室排出的物质至少有一部分流回所述内燃燃烧室，即实现了工质在所述气缸活塞机构和所述压气装置之间有往复流动。从所述工质闭合回路外向所述内燃燃烧室导入的物质可以是氧化剂、还原剂、压缩气体或高温燃气等。本发明中，所述工质闭合回路是指由所述气缸活塞机构、所述内燃燃烧室(或所述加热器)、所述冷却器、所述压气装置等及它们之间的连通通道构成的工质可循环流动的空间。本发明中，所述气液缸是指可以容纳气体工质和/或液体，并能承受一定压力的容器，所述气液缸被所述气液隔离结构分隔成气体端和液体端，所述气液缸的气体端设有气体工质流通口，所述气体工质流通口用于与所述工质闭合回路中的其他装置或机构连通；所述气液缸的液体端设有液体流通口，所述液体流通口用于与液压动力机构和/或液体工质回送系统连通。本发明中，所述气液隔离结构是指可以在所述气液缸中做往复运动的结构体，如隔离板、隔离膜、活塞等，其作用是隔离所述气液缸中的气体工质和液体，优选地，所述气液隔离结构和所述气液缸密封滑动配合。在所述活塞液体机构工作过程中，根据所述气液隔离结构处于所述气液缸内的不同位置，所述气液缸内可能全部是气体工质，也可能全部是液体，或者气体工质和液体同时存在。本发明中，所述气液缸内的液体和所述气液隔离结构与传统的活塞连杆机构不同，传统的活塞连杆机构中的活塞可受连杆的推力或拉力停下，从而实现对活塞行程的限制，而在所述气液缸中，当所述气液缸内的气体工质做正功时，所述气液隔离结构受压力向下止点方向移动，将液体以高压形式排出所述气液缸并推动液压动力机构(例如液体马达)对外做功，当液体即将排尽时，改变液体马达工作模式或启动液体工质回送系统，使所述气液缸内的液体不再减少，此时液体会对所述气液缸内的所述气液隔离结构施加制动力，使其停止，以防止其撞击气液缸的液体端底部的壁；当不断向所述气液缸内输入液体时，所述气液隔离结构会不断向上止点方向移动，当到达上止点附近时，停止向所述气液缸内输入液体或者使所述气液缸内的液体减少(流出)，尽管如此，所述气液缸内的液体和所述气液隔离结构仍然会由于惯性向上止点方向运动，此时，如果所述气液缸内的气体工质的压力不够高，则会导致所述气液隔离结构继续向上运动而撞击气液缸顶部的壁，为了避免这种撞击，需要使气液缸内气体工质的压力足够高，使其对所述气液隔离结构的压力大于所述气液缸内的液体和所述气液隔离结构做往复运动时的惯性力之和。本发明中，在所述压气单元热气机的工作过程中所述气液缸内的液体和所述气液隔离结构做往复运动时的惯性力之和是变化的，因此在工程设计中应保证在任何工作时刻都满足“所述气液缸内的气体工质对所述气液隔离结构的压力大于所述气液缸内的液体和所述气液隔离结构做往复运动时的惯性力之和”的条件，例如通过调整所述工质闭合回路中的工作压力、调整气液隔离结构的质量、调整液体密度或调整液体深度等方式来实现，其中，所述液体深度是指液体在做往复运动方向上的液体的深度。所谓的“调整所述工质闭合回路中的工作压力”是通过调整流入和/或流出所述工质闭合回路的气体工质的体积流量来实现的，例如可以通过调整所述工质导出口的开关间隔、每次开启的时间和/或所述工质导出口处控制阀的开口大小来实现。本发明中，所述加热器是指加热流体和工质不发生混合且能对工质进行加热的装置，以及用太阳能对工质进行加热的装置；如热交换器式加热器、燃烧炉等。本发明中，所述内燃燃烧室是指氧化剂和还原剂发生燃烧化学反应后所形成的高温产物直接作为循环工质或与所述工质闭合回路内事先存在的其它气体混合后作为循环工质的燃烧室。根据技术常识，需要在所述工质闭合回路上设置氧化剂和还原剂的入口，或者将氧化剂和还原剂预先存入所述工质闭合回路中。本发明中，所述气缸包括气缸套、气缸盖以及由气缸套和气缸盖所形成的容积空间，所述气缸上的连通口可设置在气缸盖上，也可设置在气缸套上。本发明中，所述气体做功机构是指一切可以利用气体工质膨胀和/或流动产生动力的机构，例如螺杆式气体做功机构、活塞式气体做功机构、叶轮式气体做功机构、罗茨式气体做功机构等，其作用是利用所述气缸活塞机构做功后的处于高能状态下的气体工质进行做功，所谓的高能状态是指在本发明压气单元热气机的循环中，气体工质处于温度最高、压力最大的状态。本发明中，所述乏气储罐作为压缩气体源使用。本发明中，所述压气装置是指能够对气体进行压缩的装置，例如活塞式压气机、叶轮式压气机、罗茨式压气机、螺杆式压气机等。本发明中，所述热交换器式回热器是指设在所述冷却器之前的，能够将来自所述加热器流向所述冷却器的高温工质的热量传递给即将进入所述加热器的工质的热交换器。本发明中，所述填料式回热器是指当高温工质流过多孔填料区域时将自身的热量留给填料，当低温工质逆行流过多孔填料区域时吸收填料所存储的热量的装置。本发明中，所述冷却器是指能够使工质降温的装置，它可以是散热器，也可以是热交换器。本发明中，所述压气单元热气机的工质为在循环中不发生相变或不完全发生相变的气体工质，例如空气、水和二氧化碳混合物、氦气、氩气、氢气等。本发明中，所述工质通道壁是指工质所能接触到的空间的壁，包括所述气缸活塞机构、所述加热器(或所述内燃燃烧室)、所述冷却器、所述压气装置等单元以及它们之间的连通通道。本发明中，所述工质导出口设置的目的是当由所述压气装置向系统内导入的工质的压力达到一定程度时，将多余工质放出。本发明中，所谓的“相位差为180度”是指完全180度和由于机构结构的特点以及加工精度所产生的误差导致180度加减某一微小角度后的度数。本发明中，所述低温冷源是指能提供温度在0°C以下的低温物质的装置、机构或储罐，例如采用商业购买方式获得的储存有低温物质的储罐，所述低温物质可以是液氮、液氧、液氦或液化空气等。在设置所述内燃燃烧室的结构中，当本发明中氧化剂为液氧时，液氧可直接作为所述低温物质。本发明中，在设置所述内燃燃烧室的结构中，所述低温冷源以直接与所述工质闭合回路连通使所述低温物质与所述工质闭合回路内的工质混合的方式，或者以经换热装置使所述低温物质与所述工质闭合回路内的工质换热的方式，对所述压气装置中或即将进入
所述压气装置的工质进行冷却处理。在设置所述加热器的结构中，所述低温冷源以经换热
装置使所述低温物质与所述工质闭合回路内的工质换热的方式对所述压气装置中或即将
进入所述压气装置的工质进行冷却处理。热气机是一种工作循环接近卡诺循环的动力机
构，其热效率的计算可以参考卡诺循环热效率计算公式
权利要求
1.一种压气单兀热气机，包括气缸活塞机构(I)、加热器(2)、冷却器(5)和压气装置(6)，其特征在于:所述气缸活塞机构(I)的气缸经连通通道与所述压气装置(6)的气体入口连通，所述加热器(2)设置在所述气缸活塞机构(I)的气缸上和/或设置在所述连通通道上，所述冷却器(5 )设置在所述压气装置(6 )上和/或设置在所述压气装置(6 )的气体入口和所述加热器(2 )之间的所述连通通道上，在所述连通通道上设压缩气体入口( 3 )，所述压气装置(6)的气体出口与所述压缩气体入口(3)连通。
2.按权利要求1所述压气单元热气机，其特征在于:在所述压缩气体入口(3)和所述加热器(2 )之间的所述连通通道上设填料式回热器(23 )。
3.按权利要求1所述压气单元热气机，其特征在于:在所述压缩气体入口(3)和所述加热器(2 )之间的所述连通通道上设热交换器式回热器(22 )，所述热交换器式回热器(22 )的被加热流体入口与所述压缩气体入口( 3 )连通，所述热交换器式回热器(22 )的被加热流体出口与所述加热器(2)连通。
4.按权利要求3所述压气单元热气机，其特征在于:在连通所述热交换器式回热器(22)的被加热流体出口和所述加热器(2)的通道上设热压缩气体正时控制阀(32)。
5.按权利要求1所述压气单元热气机，其特征在于:所述加热器(2)设为以外燃燃烧室为热源的外燃加热器(201)。
6.按权利要求1所述压气单元热气机，其特征在于:所述加热器(2)设为以余热为热源的余热加热器(202)。
7.按权利要求1所述压气单元热气机，其特征在于:所述加热器(2)设为以太阳能为热源的太阳能加热器(203)。
8.按权利要求1至7中任一项所述压气单元热气机，其特征在于:所述压气单元热气机还包括正时控制阀(4)，所述压缩气体入口(3)设在所述冷却器(5)和所述加热器(2)之间的所述连通通道上；所述正时控制阀(4)设置在所述压缩气体入口(3)和所述冷却器(5)之间的所述连通通道上，或设在所述冷却器(5)和所述压气装置(6)的气体入口之间的所述连通通道上。
9.一种压气单元热气机，包括气缸活塞机构(I)、内燃燃烧室(200)、冷却器(5)和压气装置(6)，其特征在于:所述气缸活塞机构(I)的气缸经连通通道与所述压气装置(6)的气体入口连通，所述内燃燃烧室(200 )设置在所述气缸活塞机构(I)的气缸内和/或设置在所述连通通道内，所述冷却器(5 )设置在所述压气装置(6 )上和/或设置在所述压气装置(6 )的气体入口和所述内燃燃烧室(200 )之间的所述连通通道上，在所述连通通道上设压缩气体入口(3)，所述压气装置(6)的气体出口与所述压缩气体入口(3)连通，在工质通道壁上设工质导出口(35)。
10.按权利要求9所述压气单元热气机，其特征在于:所述工质导出口(35)设置在所述冷却器(5 )与所述内燃燃烧室(200 )之间的所述连通通道上。
全文摘要
本发明公开了一种压气单元热气机，包括气缸活塞机构、加热器、冷却器和压气装置，所述气缸活塞机构的气缸经连通通道与所述压气装置的气体入口连通，所述加热器设置在所述气缸活塞机构的气缸上和/或设置在所述连通通道上，所述冷却器设置在所述压气装置上和/或设置在所述压气装置和所述加热器之间的所述连通通道上，在所述连通通道上设压缩气体入口，所述压气装置的气体出口与所述压缩气体入口连通。本发明结构简单、效率高、造价低使用寿命长。
文档编号F02G1/053GK103089482SQ20131003748
公开日2013年5月8日 申请日期2013年1月31日 优先权日2012年2月12日
发明者靳北彪 申请人:摩尔动力(北京)技术股份有限公司