專利名稱：具有移動換熱器的熱力機的制作方法
技術領域：
本發明涉及權利要求1和9的前序部分中所述的、德國專利DE-A1-4109289中所公開的并具有移動換熱器的那種熱力機。本發明尤其涉及用于從太陽能獲得機械能的熱力機。
以斯特林機(也叫做熱氣機)為代表的一種具有換熱器的特定形式的熱力機包括最古老的熱力機和蒸汽機。斯特林機的熱力過程在理想方式下包括四種狀態變化低溫壓縮(等溫放熱)；等容供熱(等體積)；高溫膨脹(等溫供熱)和等容放熱〔等體積〕。斯特林機通常具有靜止換熱器，但低溫斯特林機和低溫冷卻器例外。
上述類型的斯特林機通常具有輔助設備，該輔助設備使換熱器在散熱器和熱源之間來回移動。這個輔助設備可以是位于工作活塞與換熱器之間的帶慣性塊的機械偶合器。這種裝置的缺點是結構比較復雜。
作為這種輔助設備的替代物，已知可以用獨立的可調容積部件使斯特林機的換熱器來回移動，該可調容積部件是一個小輔助活塞，它從斯特林機殼體中的工質的壓力變化中吸取能量。就上述采用從工作活塞到換熱器的機械反饋的解決方法而論，這種設計思想也存在缺點，它需要附加設備，也就是說需要輔助活塞。另外，輔助活塞所產生的力是通過比較小的區域傳到換熱器上的。但是，換熱器所要克服的力，即它的慣性和它的流體阻力均勻地分布在整個換熱器體積上。因此，輔助活塞提供的力與換熱器所需要的力之間的實際差別必須由換熱器本身來解決。然而，由于換熱器是多孔結構，所以它不適合比較大的機械負載。因此，輔助活塞的使用只適合于非常低的沒有明顯慣性力的斯得林機頻率，因而只適合于小的功率密度。另一方面，如果功率密度是預定的，例如在采用太陽能平板吸收機這種場合，那么同樣由于低頻的緣故這種設計思想便與換熱器的大移動幅度相聯系。另外，由于需要比較大的活塞質量，這種熱力機的生產成本也相應提高。還有，JP-3-78554A公開了一種具有用螺旋彈簧連接的同軸的大排氣缸和小活塞缸的熱力機。
本發明的目的是提供一開始提到的那種具有移動換熱器的熱力機，這種熱力機比普通的斯特林機具有更高的工作頻率和功率密度。
這一目的是通過權利要求1和9的內容實現的。本發明的有利改進在從屬權利要求中指定。
在本發明的上下文中，工作活塞應當被理解為適合于改變工作容積的任何設備，例如，振動片、一端封閉的波紋管、液柱或氣柱。
換句話說，按照本發明設計的熱力機在沒有輔助設備(其限制了更高的頻率)的情況下工作，用于控制換熱器，使得均勻分布在整個換熱器上的工作壓力克服在換熱器移動過程中整個換熱器上均勻分布的制動力，從而換熱器在散熱器與熱源之間線性移動或振動的過程中完全沒有機械負載。由于換熱器的無負載線性移動，因此甚至在頻率達50Hz或50Hz以上時，換熱器也能工作。
換句話說，由于采用了按照本發明的驅動，換熱器是在無任何負載的情況下通過工質的容積流量得以移動的。在這種情況下，由于換熱器的慣性使得換熱器的移動相對于工作活塞的移動發生了相移。該相移可以通過換熱器的質量和流體阻力得到調節，從而在0°到90°范圍內變化。
與一開始所述的斯特林機相反，按照本發明的熱力機的熱力過程發生在兩條等溫線與兩條多變線之間。
選擇向本發明的往復系統提供有用的能量或從本發明的往復系統吸收有用的能量實際上是已知的，因此在本發明上下文中不需要作任何專門的解釋。
按照本發明的熱力機的優選實施例提供了一種結構簡單的設計，它的基本部件，即換熱器、散熱器和熱源設計成相互平行的平板部件。采用這種結構，按照本發明的熱力機特別適合于太陽能驅動。
按照本發明的熱力機的工作活塞可以用不同的方式放置在相對于熱源、散熱器和換熱器的不同位置上，以便產生用于驅動換熱器的容積流量。如果將活塞與熱力機殼體上的熱源相對放置，例如采取被導向熱源上方的殼壁的普通活塞的形式，那么就可以得到緊湊的結構。
按照本發明的有利改進，提供了兩個工作活塞以便產生換熱器所需要的容積流量，這兩個工作活塞都是從熱源-換熱器-散熱器裝置的熱源側開始驅動的。這種情況下，這兩個工作活塞最好這樣安裝，使得它們在由熱源-熱交換器-散熱器裝置的殼體整體構成的腔體內能夠相對于換熱器的移動方向作橫向直線移動。還有，這兩個工作活塞最好具有相同的形狀、相同的質量和相同的尺寸。
另外，本發明提出雙熱力機形式的致冷機，其中，該機組包括兩個上面所述的那種熱力機組，它們的熱源點朝外、散熱器相鄰，兩臺換熱器由獨立的容積流量驅動。具體地說，在任何時候，一個工作活塞產生的容積流量的方向總是與另一個工作活塞產生的容積流量的方向相反，在任何時候，熱力機的鏡像面中的容積流量總是等于零。
就原理而論，按照本發明的熱力機有廣泛的應用。一個特別的應用是將熱力機用于太陽能系統。
下面將借助于附圖對本發明作詳細說明。附圖中

圖1示出了按照本發明的熱力機的第一實施例，它采用單個工作活塞；圖2示出了按照本發明的熱力機的第二實施例，它采用兩個工作活塞；圖3示出了按照本發明的熱力機的第三實施例，它作為雙致冷機；圖4示出了按照本發明的熱力機的第四實施例，它采用單個工作活塞；和圖5示出了圖4所示實施例的改型。
如圖1所示，按照本發明的熱力機的第一實施例包括大致為筒形的殼體1，它具有較大直徑的殼體部分2a和較小直徑的殼體部分2b。工作活塞4是被這樣導向的，它在小直徑殼體部分2b內可以沿殼體的縱軸方向直線或來回移動。大直徑殼體部分2a內含有按平板設計的散熱器5、熱源6和換熱器7，其中，熱源6與散熱器5對置并位于活塞4的下方，換熱器7被放置成它在散熱器5與熱源6之間的工作空間內可以沿殼體的縱軸方向移動。散熱器5、熱源6和換熱器7的結構是采用已有技術的結構，尤其是斯特林機技術領域的行家所熟悉的結構。原則上，這些熱力機部件可以考慮采用不同的材料。基本特征是換熱器7由適合于用作中間儲熱器的多孔、流體可滲透材料所構成。工作活塞4基本上可以由適合于供斯特林機使用的任何材料構成。
熱力機的殼體1和工作空間內充滿了工質，如氦或更經濟的空氣。
換熱器7同樣是用已知的方式懸掛在殼體1內的，它可以在散熱器5與熟源6之間振動而不會出現任何明顯的傾斜移動。圖1中彈簧8和9被裝在換熱器7的下面，僅僅是為了示意這種用途。此外，還可以考慮用支承在殼體上的與換熱器和邊緣接合的墊珠(beads)來引導換熱器。
本發明的一個基本特征是這樣放置工作活塞4，使得工作活塞4的直線移動所產生的容積流量驅動無任何機械負載的換熱器7。這就可以使得熱力機能夠在大范圍的任何頻率下工作。
圖2示出了按照本發明的熱力機的第二實施例。這是一個具有兩套工作系統的熱力機。具體地說，圖2中的熱力機包括圖1所示熱力機的大直徑殼體部分2a，散熱器5、熱源6和換熱器以與圖1相同的方式裝在殼體部件2a內。殼體部分2a被安置在活塞腔10的上部11，活塞腔10的下部12容積較大，里面放置了兩個同樣設計的同軸工作活塞13與14，它們被導向成可以滑動。為了引導活塞13和14，分別給活塞13和14提供了導向環15或16以便活塞13和14能相對于換熱器橫向滑動。殼體10的內部和殼體部分2的腔內充滿了工質。圖2中的熱力機的工作方式在原理上與圖1中的相同。
圖3示出了一個雙熱力機，它是由兩臺圖1所示的熱力機組構成的，它起著熱力致冷機的作用。具體地說，雙熱力機包括由兩個圖1所示實施例中的殼體部分2a所構成的鏡像組合，它們的內部還安裝了斯特林機部件。采用與圖1中相同的參考數字，于是該雙熱力機包括殼體部分2a，其中裝有散熱器5、熱源6和換熱器7，換熱器7位于散熱器5與熱源6之間。在熱源側，殼體2a是靠活塞20封閉的，活塞20包括活塞壁21，活塞壁21通過波紋管22連接到殼體部分2a上以便得以封閉。不過，從原理上講圖1中的活塞4的典型設計也適用。
圖2和圖3中的熱力機比圖1和圖4中的熱力機的優越之處是由于熱力機在一定程度上是平衡的，因此當工作時，其重心保持不變。
如上所述，圖3中的雙熱力機包括剛才解釋的殼體部分2a與其內部的熱力機部件和外部的活塞的鏡像組合，鏡像部分的相同部件用帶有“’”的相同參考數字表示。在所述的示意性實施例中，兩個散熱器5和5’相互連接。作為這種方案的替代方案，散熱器5和5’還可以被制成一體。
被活塞20和20’封閉的殼體部分2a和2a’中充滿了公用的工質，因而它們作用于相同的工作容積。該雙重斯特林機以推拉方式工作，也就是說，活塞20與20’和換熱器7與7’同步進行直線移動并作用于相同的工質上，并如上所述分別由相同的工質驅動而無任何負載。
圖4示出了按照本發明的熱力機的第四實施例。該實施例在原理上與圖1所述的第一實施例有所不同，它的活塞由整個殼體構成。
具體地說，該工作活塞不能在單獨的殼體部分2b內滑動，除了底板26之外整個殼體構成了活塞，底板26通過波紋管27連接到殼體部分2a上以便得以密封，按照本發明的熱力機的實施例被支承在底板26上。
此外，帶底板26的波紋管25連接的殼體底壁2c具有供工質流過的中心傳輸口，該殼體底壁2c構成了散熱器，與之對置的殼體頂壁2d構成了熱源。由于其熱源暴露在外，因此該熱力機特別適合于用作太陽能熱力機。
圖5示出了圖4中的熱力機的改進實施例。在該實施例中，殼體下部容納了水柱28，水柱28一方面因波紋管截面與水柱截面之間的不同而承受殼體的重量，另一方面因同樣的原因而以與殼體相反的相位振動，因而活塞質量是由水的質量和殼體的質量一起組成的。
權利要求
1.一種熱力機，具有限定了一工作空間的殼體(2、2a、2b)、包含在工作空間中的工質、設置在殼體(2、2a、2b)內或其上的熱源(6、6’)及設置在殼體(2、2a)內或其上的散熱器(5、5’)、構成中間儲熱器并被安裝成可在熱源(6、6’)與散熱器(5、5’)之間的工作空間內移動的熱交換器(7、7’)，和至少一個受工質作用的工作活塞(4、13、14、20、20’)，其中，工作活塞(4、13、14、20、20’)被設置在殼體(2、2a、2b)內或其上，從而它的壓縮運動與從熱源(6、6’)到散熱器(5、5’)的工質容積流量有關，它的膨脹運動與相反方向的工質容積流量有關，由于所述換熱器(7、7’)的流體阻力，容積流量使換熱器(7、7’)相對于工質移動。
2.根據權利要求1所述的熱力機，其中，熱源(6、6’)和散熱器(5、5’)被放置在換熱器(7、7’)移動行程的一端或另一端的區域內。
3.根據權利要求1或2所述的熱力機，其中，換熱器(7、7’)、熱源(6、6’)和散熱器(5、5’)被制成相互平行的平板部件。
4.根據權利要求2所述的熱力機，其中，熱源被安置在工作活塞(4、20、20’)與換熱器(7、7’)之間的殼體(2b)中。
5.根據權利要求4所述的熱力機，其中，工作活塞(13或14)被安裝在其自身的腔體(10)內。
6.根據權利要求5所述的熱力機，其中，腔體(10)內配備了兩個工作活塞(13、14)，它們都產生用于驅動換熱器的容積流量。
7.根據權利要求1到4中的任何一條權利要求所述的熱力機，其中，熱力機被設計成其部件鏡像對稱的雙重形式，它具有以下結構一個公共殼體(2a、2a’)、一個或兩個放置在殼體中部的散熱器(5、5’)、放置在一個或兩個散熱器(5、5’)兩側的換熱器(7、7’)、以及每一側的一個熱源(6、6’)和一個外置的工作活塞(20、20’)，其中兩個工作活塞(20、20’)都產生用于驅動換熱器(7、7’)的容積流量。
8.根據權利要求6或7所述的熱力機，其中，兩個工作活塞(13、14)具有相同的形狀、尺寸和質量。
9.一種熱力機，具有限定了一工作空間的殼體(2a、25)、包含在工作空間中的工質、設置在殼體(2a、25)內或其上的熱源(2d)及設置在殼體(2a、25)內或其上的散熱器(5、5’)、構成中間儲熱器并被安裝成可在熱源(2d)與散熱器(2c)之間的工作空間內移動的熱交換器(7、7’)，和至少一個受工質作用的工作活塞，其中，工作活塞被設計成帶可調工作空間的殼體，工作活塞的壓縮運動產生了從熱源(2d)到散熱器(2c)的工質容積流量，它的膨脹運動產生了與之相反方向的容積流量，由于所述換熱器(7、7’)的流體阻力，容積流量使換熱器(7、7’)相對于工質移動。
10.根據權利要求1、2、3或9所述的熱力機，其中，熱源(6、6’、2d)和散熱器(5、5’、2c)分別是殼體(2a)的底和頂。
全文摘要
本發明涉及一種熱力機,具有限定了工作空間的殼體(2、2a、2a’、2b)、包含在工作空間中的工質、安置在殼體(2、2a、2a’、2b)中的熱源(6、6’)以及安置在殼體(2、2a、2a’、2b)中的散熱器(5、5’)、構成中間儲熱器并被安裝成可在工作空間內直線移動的換熱器(7、7’),和至少一個受工質作用的工作活塞(4、13、14、20、20’、25),用于從工作空間輸出機械能以及用于向工作空間輸入機械能。本發明中工作活塞(4、13、14、20、20’、25)被安置在殼體(2、2a、2a’、2b)內或其上,從而工作活塞的壓縮運動與從熱源到散熱器的工質容積流量有關,它的膨脹運動與相反方向的工質容積流量有關,由容積流量產生的力被用于驅動換熱器(7、7’)。
文檔編號F02G1/043GK1215450SQ97193491
公開日1999年4月28日 申請日期1997年4月10日 優先權日1996年4月11日
發明者卡爾·奧伯莫瑟 申請人:卡爾·奧伯莫瑟