将热量转化成其他能量的能量单元和利用能量单元的热量回收装置的制作方法

本发明涉及用于将热量转化成液压能、机械能或电能的能量单元。

更具体地，本发明涉及利用相变材料特性的能量单元，相变材料的体积变化由从固相到液相和从液相到固相的每次相变来限定，体积变化用作产生机械能、液压能或其他形式能量的驱动力。

背景技术：

例如，这样的能量单元从专利US 2011/0024075已知，其中，能量单元描述成缸和能够在缸中运动的活塞的形式，活塞在缸中封闭出室，室内填充有这样的相变材料：在因受热而从固态转变到液态时，相变材料膨胀，由此使缸中的活塞运动，此运动能够用于施加机械力。

由于缸中相变材料交替地受热和冷却，相变材料可以交替地熔化和凝固，因此体积膨胀和收缩，这引起活塞的往复运动，此运动能够转换成用于驱动马达或其它装置的运动。

能量单元的另一示例从国际专利申请WO 2010/074616已知，其中，能量单元描述成圆筒形压力容器的形式，压力容器中具有弹性囊，囊内填充有液压流体，并且在由相变材料壳体包围的空间中囊轴向延伸穿过压力容器，相变材料填充压力容器与囊之间的空间。随着相变材料的体积增加，液压流体被挤出上述囊，从囊产生的液压流体的体积排量用于产生液压能。

由于当弹性囊挤在一起时不存在摩擦损失，这样的能量单元比活塞—缸形式的构造更加高效。

如WO 2010/074616中所描述的能量单元的劣势在于：由于体积变化，囊的直径承受相对大的变化，这导致囊的材料中相对高的应力，最后导致囊的寿命缩短。

另一劣势在于：当囊挤在一起时会发生摺叠，这使囊局部弱化，或者甚至闭合囊的一些部分而阻止这些部分中的液压流体排出，使得这些部分中积聚特别高的压力，这不利于转化成有用的液压能，并且构成囊撕裂的风险。

另一劣势在于：这样的能量单元的结构相对复杂，并且部件的组装和更换相对复杂且花费许多时间。

技术实现要素：

本发明的目的是为一个或多个上述的和其它的劣势提供解决方案。

为此，本发明涉及用于将热量转化成液压能、机械能或电能的能量单元，此能量单元设置有压力容器，压力容器中具有两个室，两个室由不可渗透的弹性膜相互分隔开，分别地，第一室填充有体积随着从固相到液相和从液相到固相的每次相变而变化的相变材料，第二室在能量单元使用时填充有液压流体，并且能量单元设置有能够交替地加热和冷却相变材料的装置，以使相变材料能够交替地从固相变为液相和从液相变为固相，每次相变伴随着第一和第二室的容积变化，并且第二室设置有至少一条通道，其随着第二室的每次容积变化而作为液压流体的输入部和/或输出部，其特征在于，能量单元构造成当相变材料相变从而第一室中相变材料的体积增加时，膜弹性胀大。

根据本发明的能量单元的优势在于：膜不会随着相变材料的膨胀发生不期望的摺叠。

此外，如在WO 2010/074646中所描述的已知能量单元的情形中，膜的尺寸不受能量单元内部相对小可用空间的限制，使得膜的材料中的应力可以分布到较大的面积中，对于相变材料的相同体积变化，可以减少应力，从而可以提高膜的寿命。

在根据本发明的能量单元的实用实施例中，压力容器部分地由第一管形成，并且膜构造为同心地附装在第一管中的第二管，填充有相变材料的第一室由膜环绕，设置成填充液压流体的第二室环绕膜在壳体与膜之间延伸。

因此，相变材料处于能量单元的芯部中，并且随着体积增加而将环绕膜的液压流体(例如，油)推到外侧。

因为液压流体处于管形膜的外侧，液压流体的相同体积排量仅需较小的膜直径扩大，这导致膜中的应力更小。

在此实用实施例中，两个室优选地都由保持在压力容器中互相间隔一定距离的两个盖限定，其中，优选地至少一个盖并且优选地两个盖是可拆卸的，并且膜的自由边缘以密封的方式保持在这些盖中，或者保持在盖与壳体之间。

这样，部件的组装及更换或者维护特别地容易和快捷。

在此方面中，优选地是：将至少一个盖(优选地两个盖)构造为两个部分，其中，第一部分保持在压力容器中，第二部分紧固在第一部分中或者抵靠第一部分紧固，并且膜的前述边缘夹持在第一和第二部分之间以形成两个室之间的密封，这使部件的组装和更换更为容易。

更廉价的解决方案是将盖制成单个部分，在组装的时候，膜的边缘夹持在盖与压力容器的壁之间。

为了防止膜承受不期望的变形，膜可以在其外周上的一些位置处设置有肋，作为膜与压力容器内壁之间的间隔部，以防止液压流体随着相变材料的膨胀而被截留在膜与压力容器之间的一些区域中而无法输出至输出部的情况发生。

这些肋也可以作为膜的强化肋。

以同样的方式，压力容器的内壁也可以设置有这样的肋。

优选地，能够交替地加热和/或冷却相变材料的前述装置由热交换器形成，热交换器具有延伸穿过相变材料的管道，管道设置成附装在热介质的供给部和出口上，和/或附装在冷介质的供给部和出口上。

这具有优势：可以利用能够从通常作为工业过程副产品产生的水或类似形式的废热流回收的热量，对于现有的能量回收系统而言，由于这些废热流的温度通常不足够用来以经济的方式回收能量，这些热量通常作为不能利用的热量而损失。

在此方面中，有用的是：选择具有尽可能低熔化温度(优选地介于25℃到95℃之间，并且优选地低于60℃)的相变材料。

这样，也可以低温(例如，低于60℃)从废热流回收热量。

对于预定的应用而言，石蜡或蜡是合适的相变材料，其取决于石蜡或蜡的类型而具有低的熔化温度(例如，大约45℃)，以及当从固相转变为液相时体积显著增加，并且优选地在凝固时再次占据其原来的体积。

本发明还涉及用于从热介质回收热量并且将热量转化为液压能、机械能或电能的装置，此装置包括至少一个如上所述的具有管式热交换器的能量单元，能量单元的第二室连接至液压回路，以驱动诸如马达或缸这样的液压负载，并且第一室中的热交换器经由阀系统连接至具有冷介质供给部的回路和具有热介质供给部的回路，冷介质的供给温度低于相变材料的熔化温度，热介质的供给温度高于相变材料的熔化温度，并且阀系统使冷介质和热介质在一定的时段中交替地被驱动通过热交换器。

利用这样的装置，可以将废热流的热能转换成有用的液压能、机械能或电能。

附图说明

为了更好地示出本发明的特征，下面参考附图以示例而没有任何限制的方式描述根据本发明的能量单元的一些优选实施例，其中：

图1示意性地示出了根据本发明的能量单元切去一半的透视图；

图2示出了图1的能量单元的剖视图，但是省略了一部分；

图3示出了由图2中箭头F3指出的膜；

图4示出了由图2中方框F4指出部分的放大剖视图，这次没有省略；

图5示出了由图4中方框F5指出部分的更加放大的剖视图；

图6非常示意性地示出了根据本发明的设置有根据本发明能量单元的装置，其中，相变材料处于固态；

图7示出了图6的装置，但是相变材料处于熔化态；

图8示出了根据本发明的能量单元的替代实施例的剖视图；

图9示出了如图4那样的剖视图，但是为根据本发明的能量单元的变例。

具体实施方式

在此实例中，图1中示出的能量单元1包括圆筒形压力容器2，压力容器在其两端具有可拆卸的盖3，在此实例中，通过螺母形式的保持环4在压力容器2中使两个盖3之间保持一定距离。

压力容器2制得能够承受非常高的压力，例如高达10,000kPa(1000bar)的压力，这取决于特定应用中所期望的压力。

由压力容器2和由盖3限定的空间通过圆筒形的膜5分隔成两个室，分别地，第一室6由膜5本身环绕，第二室7环绕膜5在压力容器2与膜5之间延伸，如能在图2中清楚地看到的那样。

膜5由不可渗透的弹性材料制成，诸如橡胶(例如，丁腈橡胶)或弹性体或者复合材料等，并且通过自由边缘8在每端以密封的方式保持在相关的盖3中。

为此，膜5的前述边缘8设置有增厚部9，增厚部能够作为成一体的密封部，并且在图4和5的实施例中，盖3由两个部分构成，其中，第一部分3A通过前述的保持环4保持在压力容器2中，第二部分紧固在第一部分中或者抵靠第一部分紧固，并且膜5的具有增厚部9的前述边缘8夹持在两个部分3A和3B之间围成的室10中。

每个盖3的第二部分3B通过螺栓11等夹靠在第一部分3A上。

密封件12和13设置在盖3与压力容器2之间及盖3与保持环4之间。

在朝向第二室7的外侧上，膜5设置有一定厚度的一个或多个肋14(在此实例中为圆周肋14)，肋可以在局部作为膜5与压力容器2之间的间隔部，也可以作为膜5的强化肋14。在示出的例子中，肋14和膜5由相同的材料一体制成，但这不是严格必要的。

以同样的方式，压力容器2在朝向膜5的内侧上设置有一定厚度的肋15，这些肋15优选地也构造成圆周肋15，并且优选地设置成与膜5的对应肋14相对。

能量单元1还设置有一束管道17形式的管式热交换器16，管道轴向延伸穿过第一室6，并且在其端部18通过密封O形圈20保持在各个盖3中的通道19中。

第一室6中管道17周围的空间填充有相变材料23，在能量单元1没有使用时，相变材料处于如图4中所示的固态，在此状态下相变材料占据的体积恰好足够填充在能量单元为空且没有使用时的第一室6，或者稍微大于第一室6的空容积，使得在此状态下膜在径向方向上没有张紧，或者仅仅稍微张紧。

管道17形成压力容器2的两个端部21和22之间的连接，这些端部21和22可以作为热介质或冷介质的入口和/或出口，热介质或冷介质可以引导通过入口和/或出口来加热或冷却相变材料23，以使相变材料23熔化或凝固。

优选地，管道17在其外侧上设置有径向方向的鳍片(未在图中示出)，这是要增大管道17与相变材料23之间的传热面积。此外，鳍片形成了支撑相变材料23的骨架。取决于应用，径向方向的鳍片之间的距离可以是恒定的或变化的。

管道可以相反地设置有位于内侧上的内鳍片，这是要例如增大管道中的介质与管道之间的传热面积，或者引起介质涡旋等，并且产生微通道，这样湍流换热更优。

相变材料23优选地是具有介于25℃到95℃之间的低熔化温度的材料，或者更优地利用熔化温度低于60℃的介质，以能够在介质处于低温时使相变材料23熔化。

合适的相变材料23的例子是石蜡或蜡，其在熔化态下的体积显著大于固态。

在使用能量单元时，第二室7填充有来源于液压回路的液压流体24，液压回路通过两个连接接头25液压地连接至第二室7，每个连接接头旋拧在压力容器2的通道26中，并且连接接头设置有帽27，帽防止膜5在径向方向上从压力容器2推到接头25或通道26中。

膜5作为第一室6中的相变材料与第二室7中的液压流体之间的不可渗透的分隔。

使用根据本发明的能量单元1是非常简单的，下面基于图7进行阐述，其中，能量单元1示出为根据本发明的装置28的构成部分，装置用于从热介质的供给部A回收热量，热介质具有比相变材料23的熔化温度更高的温度。

热介质的此供给部A经由阀系统29连接至能量单元1的端部21，而能量单元1的另一端部22连接至热介质驱动通过能量单元1的管式热交换器16之后的出口B。

类似地，能量单元1经由前述的阀系统29连接至冷介质的供给部C和此相同介质通过热交换器16之后的出口D。

供给的冷介质具有的温度低于相变材料23的熔化温度。

阀系统29使冷介质和热介质可以在一定的时段中交替地驱动通过热交换器16。

能量单元1还经由连接接头25与另一阀系统30连接至液压回路31，以驱动液压负载32(此处以示例的方式示出为用于驱动发电机34的液压马达33)。

阀系统30设置成使得流体总是以相同的方向在回路31中循环。

装置如下操作。

以如图6中所示的相变材料23处于固态的状态开始，例如，对于大约十五秒的第一时段，控制阀系统29使得在此时段期间热介质从供给部A被驱动通过管式热交换器16至出口B(如图7中所示)，同时冷介质的供给部和出口是关闭的。

由于热介质的热量，相变材料23受热而熔化，使得相变材料23的体积增加，因此径向推动膜5，使得第二室7的容积变小，并且液压流体以一定的压力被压出此室7而进入到回路31中，此压力取决于此回路的液压阻力，尤其取决于负载32的载荷需求。

在随后的时段期间，如图6中所示，通过阀系统29的适当控制，冷介质而不是热介质被驱动通过热交换器16。

因此，熔化的相变材料23再次凝固且体积减小，使液压流体可以从回路31流回能量单元。

这样，能量单元1如同心跳式地工作，以交替地向负载32供给液压油。

在实际中，一连串的若干能量单元1总是连接至回路31，阀系统29将确保能量单元1的一部分同时地且在相等的时段中被供给热介质,而另一部分被供给冷介质，并且这些单元交替地且同时地从冷介质切换到热介质或者从热介质切换到冷介质，使得总是存在单元将液压流体驱动到负载32，并且液压流体可以总是以相同的方向非常规律地驱动。

图8示出了能量单元的一变例，其中，阀系统29的一部分以止回阀36的形式在能量单元1的每个端部21和22处集成在双联连接件35中，止回阀处于设置在每个连接件35中用于连接到热回路和冷回路的两个连接部37和38的每个中。

图9示出了能量单元1的一变例，在此实例中，盖构造为单个部件，并且膜5的边缘夹持在压力容器2的壁与单个部件式盖3之间用于夹持目的的凹室10中。

尽管在示例中示出压力容器2和膜5构造为同轴的两圆筒，但是不排除确保膜5随着相变材料23的膨胀而弹性撑胀的其它形式。

除了使用随着熔化而膨胀的相变材料23以外，不排除使用随着熔化而收缩的相变材料。

也不排除：除管式热交换器16外，使用其他装置来交替地加热和冷却相变材料23。

此外，不排除管道17不是直管，而是弯曲成例如U形的、例如在其两端保持在同一盖3中的管道。

本发明绝不限于作为示例描述和在附图中示出的实施例，但是根据本发明的能量单元能够以所有种类的形式和尺寸实现，而不会背离本发明的范围。