专利名称:两相可控交变热工装置的制作方法
本发明-两相可控交变热工装置，包括LH热机和M热泵。LH热机利用密封容器中的蒸汽压来做功。M热泵利用密封容器中的交变蒸汽压来获得高温或低温。
本发明涉及热管、参《热管》，马同泽等著;第二代热管、参中华人民共和国专利局第85102929号专利申请;压电材料、参科学出版社的《压电陶瓷》「英」;螺旋发动机研制、参半月刊《科技参考消息》85年第二期;等有关技术领域：
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本发明的目的是为了更合理地利用各种热能和余热能、开发太阳能、地热能和海洋温差能等新能源。
本发明采用将液体喷到加热面的方法来产生蒸汽，为使液体的分配合理和改善蒸发条件，在喷管和加热面之间安放有吸液芯。並假定一、蒸汽被封闭在一个密封容器中，这个容器有一个热端和一个传热作用可调的冷端，容器的其它部分的管壁有绝热作用。二、容器内的蒸汽压可通过对热端输送工质量的多少和调节冷端的传热能力而从某个最大值到最小值之间任意调节，调节过程可在足够短的时间内完成並可反复进行。
本发明的工作过程为先令冷端传热作用为最小，並起动相应的电动泵对容器的热端喷射工质。这时工质受热汽化，容器内的蒸汽压迅速增大直到达到对应温度下的饱和蒸汽压，然后停止泵送並令冷端的传热作用为最大使蒸汽放热凝结，容器内的蒸汽压很快达最小，这样就可得到其压力在最大值到最小值之间交变的蒸汽压。
这个压力可用来推动活塞来压缩气体、由热学可知被压缩部分的压力增大同时温度增高，这样我们便得到品位更高的热能。而且一旦被压缩气体中较多的热能被取走后我们还可以利用它的膨胀作用来获得低温，这就是所谓的M热泵。
又、如果我们利用这压力来驱动气动马达、螺旋发动机或活塞，则可制成各种热机。本文作者称之为LH热机。显然它属于外燃机。
本发明的关键是上面讲到的电动泵;为此除用其它现有的泵外，本发明还专门设计了利用压电材料的场致伸缩效应而制成的压电泵，这种压电泵直接把电能变换成推动液体的机械能。具有成本低、使用寿命长、无机械摩擦、可靠性高和可微型化等优点。《用压电材料制造的液体承送、开关器件》已同时向中国申请专利。
从传热角度看，这种热工装置的动力部分与第二代热管相似，並且它较多采用了热管技术故又可称作热管发动机及热管热泵。
由于采用对加热面喷液的方法产生蒸汽，故装置的热时间常数短工作精度高。使用各种工质可充分利用各种品位的热源;M热泵的动力部分工作频率与功能部分的作用时间相匹配並且它利用高压集热以及采用热管传热来代替通常的真空吸热，故其效率较高並且不需要附加机械压缩系统即可使低品位热能变成高品位热能。同时LH热机可省去消耗功率而又操作复杂的液体循环供给系统。
LH热机在外层空间也是一种理想能源，那里向阳和背阳面之间温差大且热通量也大所以热效率高。通常太空中的宇航器需要时蓄电池进行加热、对红外摄象仪进行深冷保护，本发明对这种情况很适合。此外本发明中有关高压汽体可直接用来调整宇航器的运行姿态以及用来对付运行中遇到的各种高速物体的碰撞，利用高压汽体可高速回避或进行缓冲。对空间工厂来讲，本发明比光电池耐幅射並可有一定的蓄能作用，其光电转换效率也可以做得更高。
下面结合附图来具体说明，附图1为LH-1型热机工作原理示意图，主要由可控抗重力热管11、12及其变形而成的左、右汽缸室7、8组合而成，两室用活塞6隔开。电动泵10、16和电动泵9、17分成Ⅰ、Ⅱ两组。由以上交待的交变汽压的产生过程可知第Ⅱ(Ⅰ)组泵单独工作时，对应工质18通过管道4和吸液芯2送到热端1使受热汽化。(7与11以及8与12之间的联结面同时作为各自的冷端和热端，这由热管工作原理不难理解)由于蒸汽5的作用使左(右)缸室中的压力大于右(左)缸室的，故使活塞右(左)移，受压缩的汽体其温度和压力都会增大，但升高的温度很快通过热管12(11)传到冷端13移走，随着热量的移走，右(左)缸压中的压力变小使活塞向右(左)运动受到的阻力减小並进一步向前运动。这个运动通过连杆14输出以推动飞轮15运动，图中的管壁3在冷端和热端-分别用向外和向里的箭头表示-以外都涂有绝热涂料。(图中省略未画出)附图2为LH-2型热机工作原理示意图。主要由可控抗重力热管19、20及其变形18、15组成。该热机输出转速较高。由电动泵8、6和7、9组成的Ⅰ、Ⅱ两组泵各交替工作一段时间，从而分别使由齿轮2隔开的密封容器15、18-可看作左、右两个汽室-产生压力差。在泵8(7)工作时，工质10被通过管道12和吸液芯4送到热端3並受热汽化、同时热管19(20)则将汽室18(15)中的热量传到冷端11移走，以使汽室15(18)的蒸汽16的压力大于18(15)的压力从而推动齿片14使齿轮2转动並由输出轴1输出转矩。这里两个汽室和齿轮一起构成一个汽动马达，斜线5为齿条14的简化画法。点划线13为对称中心线。17为容器壁。LH-2热机可反向运动以解决工质供应问题。也可在齿根园中加工一条凹槽来向高压区带回工质，这时就可以不必用两组热管和电动泵並且输出也为单向连续的了。附图3为LH-3型热机工作原理示意图。它可以单方向连续输出转矩;由容器壁1制成的密封外壳中，一对螺旋齿轮5与6、齿轮罩壳7以及隔离层9将容器分成上、下缸室两部分，分别对应于3和12所处的空间。上下缸室间可由缓冲重力阀13沟通，该热机工作原理是起动电动泵14将工质8通过管道和吸液芯11送到热端10，产生的蒸汽12推动螺旋齿轮转动，转矩由输出轴15输出。从螺旋齿轮出来的蒸汽3在压差作用下流向冷端2並凝结。标记4为螺旋齿轮的轴承座。下面介绍螺旋发动机，为了能在负荷变动大、热源波动大和汽压较小等情况下高效率地获得动力。人们对汽轮机叶片加以改进，使蒸汽对叶轮的作功不是一下完成而是在整个有效螺道内均衡作用、发动机的关键结构由两根螺旋状的阴阳啮合的转动叶片组合而成。其机械制图未能查到有关图例而暂时杜撰如图示。在这两根螺旋状转动叶片构成的小容量齿槽内通入的蒸汽会在压力差作用下发生膨胀並使转动叶片旋转以扩大容积，此时转动叶片的力就作为动力输出。
附图3中的缓冲重力阀利用重力将低压区液体送到高压区而可以不致对这些压力区的稳定造成大的冲击，其工作原理是利用双极压电陶瓷片17、20在电场作用下发生象双金属片受热时产生的那种弯曲变形-如18、21处虚线所示-来产生开关作用。在局部放大图中、16为阀口，19为阀壳;8、18、21处依次对应为低压、缓冲、高压区。阀门工作过程如下先对双极型压电陶瓷片17加电压使其下弯，开关17开。这时缓冲区和低压区经短时间运动气压趋于一致並且工质8在重力作用下经阀口16流入缓冲区，这时令开关17关闭，打开开关20，工质流入高压区后开关20关闭。这就完成了液体从低压区向高压区的转移。
附图4是M-1型热泵的工作原理示意图。这里约定我们总是将其动力轴7联结在LH-1型热机的连杆上因而可任意往复推动活塞5作功。从图中可看到活塞将一个密封容器-其容器壁如标记号4所示-分隔成左、右两个腔体记为9、10。每个腔体各有一根重力热管2和一组用于送入及引走汽体的阀门3、8和6、11。热泵的工作原理是假定活塞处于虚线位置並且腔体9中已充满低热气体。先关闭阀3、8、11，打开阀6以便活塞向左移动时可引入低热气体。活塞由热机带动对左腔室的汽体进行压缩，气体受压缩产生的高温由热管引到冷端1处。随着热量的移走使腔体9当中的压力相对变小並使活塞运行到左极限位置。这时打开阀门8、压缩气体冲出並冷却，它们可用作冷源。(这是本发明的一个精彩之处、用低品位热能将低品位热源分离成低温和高温源再用来作功)接着关上阀门8和6，打开阀门3使活塞向右运动对右缸室汽体进行压缩並引出高温热能，这样周而复始就可实现将低品位热能变成高品位热能。
附图5是M-2型热泵的工作原理示意图，与图1不同在于它是内热式的即被加热的物体可间断或连续地送到加热箱6中加热。並且这里外部热能是以热端16来加热低热容器15中的汽体或液体的方式来做功的，这些汽体或液体被作为热能的载体反复使用。M-2热泵的工作过程是设活塞在左(右)极限时，活塞的右(左)腔体中充满了从低热容器15来的低热汽体，现在关闭阀门14、12(13、7)当活塞在动力-认为其动力轴1已与LH-1热机的连杆相连-作用下由左(右)向右(左)运动时，被压缩的低热汽体温度升高並对加热箱中的物体加热、随着热量被吸收和右(左)缸室中的压力进一步变小、活塞最终运行到右(左)极限、这时打开阀14(13)，压缩汽体进入低热容器从容器中吸收热量，然后关闭阀14(13)打开阀12(7)，活塞向左(右)运动时，加热的汽体进入右(左)腔室並为下一个同样过程作准备。由于容器对称，另一半的情况完全可被理解。这样也就实现了将低热汽体分离成高、低温两部分的功能。这个模型中的加热箱阀门5、11(2、8)的开闭由加工要求定。(图中阀门7上的管道的省略当不引起误解)附图6是M-3型制冷机的工作原理示意图，其原理与M-2型热泵相同，只是它是从容器12中抽取热量-而不是由外部通过两个低热容器提供热量-以使容器12中温度降低並且它是用热管引出系统的热量。其工作过程的叙述这里省略了。图中各标记表示1，热能引出。2，重力热管。3，容器壁。4，活塞。5，轴杆。6，左腔室。7，右腔室。8、9、10、11等为阀门。12，低温室。
在本发明的具体设计中，有关工质(通常在室温上下温度变化几十度可引起饱和蒸汽的几十个大气压的变化)容器材料(如金属、陶瓷及各种复合材料)冷热端形状以及功能部件的工作方式的选择要根据具体情况来决定以获得最佳的效果。此外除了要考虑负荷及热源的波动外，对于引用热反馈和串级工作的情况要考虑冷热端的设置引起的起动以及低温热管在常温下的超高压问题和各种装置的密封问题。对LH-2，LH-3型热机如负载能装在密封容器内则密封问题能容易解决。此外，当热端温度过高时，如在用作斯特灵发动机的一部分时要防止所使用的压电泵中压电材料的高温失效问题。
说明书续页附图1中标记说明为(1)热端;(2)吸液芯;(3)热机管壁;(4)工质输送管道;(5)蒸汽;(6)活塞;(7)左腔室;(8)右腔室;(9)、(10)、(16)、(17)电动泵;(11)、(12)热管;(13)冷端;(14)连杆;(15)飞轮;(18)工质。附图2中标记说明为(1)动力输出轴;(2)齿轮;(3)热端;(4)吸液芯;(5)斜线(表示齿轮的机械制图简略符号);(6)、(7)、(8)、(9)电动泵;(10)工质;(11)冷端;(12)工质输送管道;(13)对称中心线;(14)齿轮齿片;(15)高压汽室;(16)蒸汽;(17)容器壁;(18)低压汽室;(19)、(20)热管。附图3中标记说明为(1)容器壁;(2)冷端;(3)高压缸室蒸汽;(4)轴承座;(5)、(6)一对阴阳啮合螺旋齿轮;(7)齿轮罩壳;(8)工质;(9)高低压隔离层;(10)热端;(11)吸液芯;(12)低压缸室蒸汽;(13)缓冲重力阀;(14)电动泵;(15)动力输出轴;(16)阀口;(17)、(20)双极压电陶瓷片开关;(18)、(21)压电片工作下限位置;(19)阀壳。附图4中标记说明为(1)冷端;(2)热管;(3)、(6)、(8)、(11)阀门;(4)容器壁;(5)活塞;(7)动力输入轴;(9)左腔室;(10)右腔室。图5中标记说明为(1)动力输入轴;(2)、(5)、(7)、(8)、(11)、(12)、(13)、(14)阀门;(3)泵壳;(4)活塞;(6)加热箱;(9)左腔室;(10)右腔室;(15)低热容器;(16)热端。附图6中标记说明为(1)热能引出;(2)重力热管;(3)容器壁;(4)活塞;(5)动力输入轴杆;(6)左腔室;(7)右腔室;(8)、(9)、(10)、(11)阀门;(12)低温室(被冷却容器)。
权利要求
1.本发明-两相可控交变热工装置、包括LH热机和M热泵是一种利用外部温差、通过调节容器内工质向热端的输送量和调节冷端的传热作用来促进密封容器中的相变-汽相和液相转变-以改变或调节密封容器中的汽压并使之作功的机器。
2.权项1所讲的LH热机是直接将热能变成机械能输出的热能发动机，其内部装有可将工质输到热端的电动泵，并且一般这些电动泵在一个连通的容器中工作。并且热机通常包含有可控热管。
3.权项2所讲的电动泵的电源和控制部分装在容器外面。
4.权项2所讲的电动泵是指一种利用压电效应工作的电动泵。
5.权项1所讲M热泵在外力作用下通过对汽体进行压缩升温和膨胀制冷来使各种品位的热能变成温度更高的热能并同时获得温度更低的低温。
6.权项5所讲外力通常是由通过活塞产生输出功的LH热机提供的。
7.权项1中所指的作功包括作机械功和改变系统的内能。
专利摘要
本发明——两相可控交变热工装置，包括LH热机和M热泵。通过加入和移去密闭容器中的热量，从而使工质在两相——液相和汽相——之间不断转化所造成的汽压差将热能变换成机械能来作功。由于利用了热管技术和具有制造容易，使用寿命长等优点的压电材料制造的液体泵送，开关器件，所以在开发太阳热和余热利用方面比现有的技术有更高的效率。此外M热泵还省略了通常使用高品位能源的附加压缩机械，并可用于制冷。
文档编号F22B1/02GK85104889SQ85104889
公开日1986年9月3日 申请日期1985年6月21日
发明者施国梁 申请人:施国梁导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan