CN102016305A - 液体配气活塞式发动机 - Google Patents

Abstract

公开了一种液体-配气活塞式发动机，其利用热力学斯特林循环从外部温度梯度中提取能量。工作气体被置于两个相邻的缸体内，并且通过热配气活塞液体和冷配气活塞液体的流动，工作气体在各自的缸体中从热区到冷区循环。在每个腔体内的工作气体的交替加热和冷却导致配气活塞液体从一个缸体流入另一个缸体，依次使工作气体之一膨胀并压缩另一工作气体。优选地，配气活塞液体的流动可以利用控制阀来进行控制。在配气活塞液体的流程上采用轮机可以从配气活塞液体的液流中提取能量。

Description

液体配气活塞式发动机

相关申请的交叉引用

本申请要求2008年3月5日提交的美国临时申请61/068,215的优先权，该美国临时申请在此通过引用而被纳入；同时要求2008年10月20日提交的美国临时申请号为61/106,615的优先权，该美国临时申请在此通过引用而被纳入。

技术领域

本发明属于能量转换领域，尤其涉及用于海洋热能转换(ocean thermal energyconversion)系统的斯特林发动机。

背景技术

斯特林发动机是一种众所周知的设备，其利用热力学斯特林循环将热能转换成机械能或电能。在一种典型的斯特林发动机中，工作气体比如空气、氢气或氦气交替地被热源加热和被热沉冷却。响应于热和冷循环，工作气体的膨胀和压缩被用来驱动一个或多个活塞，通常，所述活塞进而驱动轴或驱动齿轮传动系统。

一种众所周知的斯特林发动机，是结合附图1A-1D被描述的配气活塞式斯特林发动机。先参见图1A，该配气活塞式斯特林发动机100包括有一个动力活塞102和一个配气活塞104。工作气体106在腔体108内从配气活塞104的一侧移动到配气活塞104的另一侧。加热腔体108的一侧并冷却腔体108的另一侧，其导致了工作气体106在配气活塞104的两侧重复地交替地膨胀和收缩，其进而导致了配气活塞104在腔体108内的热端和冷端间交替移动。工作活塞102被紧紧地密封于一个第二腔体110内，该第二腔体110与配气活塞腔体108相连，动力冲程中，当位于腔体内热端的工作气体106膨胀时，工作活塞102被推动向上。工作活塞102可以与配气活塞104通过比如曲柄轴而机械连接，配气活塞104安排和协调它们的相对运动。机械联动装置，并未示出，其导致工作活塞102压缩工作气体106并使配气活塞104向下运动(图1B)。再生器112从工作气体106中提取热量，其有助于配气活塞的冷端的工作气体106的压缩和导致这部分气体绕过配气活塞并重新进入腔体的热端(图1C)。冷的工作气体然后被腔体的热端加热(图1D)进而驱动动力活塞102并使配气活塞104下移。因此，能量从响应于腔体热、冷端的温度差的工作气体中被提取。

一些系统和方法已被知道能够用于从海洋中提取能量并将海洋热能转换成其它形式的有用能量。当某种技术壁垒被克服时，海洋热能转换(OTEC)领域有很大希望作为可再生的能源。为了从海洋中提取能量，一个OTEC系统必须包括从温热海面延伸到深海的较冷海水中的部分。可惜的是，人们发现迄今为止配气活塞式斯特林发动机无法在OTEC系统中实际应用，原因在于需要有大尺寸的配气活塞腔体并且一些机械联动装置必须跨越长距离。

发明内容

本发明提供一种液体-配气活塞式发动机，其利用热力学斯特林循环从外部热梯度中提取能量。工作气体被分别置于两个相邻的缸体内，并且通过热配气活塞液体和冷配气活塞液体的流动，工作气体在各个缸体中从热区到冷区循环。交替加热和冷却每个腔体内的工作气体导致配气活塞液体从一个缸体流入另一个缸体，依次使工作气体之一膨胀并压缩另一工作气体。优选地，配气活塞液体的流动可以利用控制阀来进行控制。在配气活塞液体的流程上采用轮机可以从流动的配气活塞液体中提取能量。

附图说明

本发明的前述的和其它的特征及优点将通过下述实施例的具体描述并结合附图被充分理解，其中附图包括：

图1A-1D现有技术中一种配气活塞式斯特林发动机的四种运行状态示意图；

图2本发明一种实施例中液体配气活塞式发动机的示意图；

图3A-3D本发明一种实施例中液体配气活塞式发动机的四种运行状态示意图；

图4一种液体配气活塞(发动机)的示意图，其包括有用于向工作气体喷洒冷配气活塞液体来提高两者之间热交换效率的泵和喷嘴系统；和

图5本发明一种实施例中液体配气活塞式发动机的示意图，其包括用于高效运行的配气活塞液体的喷嘴和热交换器。

具体实施方式

本发明的各种实施例克服了现有斯特林发动机和现有的OTEC系统的缺陷，通过将配气活塞式斯特林发动机的实体配气活塞替换成在一对热和冷配气活塞腔体内循环的热、冷配气活塞液体。

本发明的一个实施例结合附图2被描述。液体-配气活塞式发动机300包括第一热液储水器302，其通过热液传输管310与第二热液储水器304相连。第一冷液储水器306通过冷液传输管312与第二冷液储水器308相连。第一热液储水器302通过第一气体导管与第一冷液储水器306相连。第二热液储水器304通过第二气体导管316与第二冷液储水器308相连。

热配气活塞液体318被置于第一热液储水器302和第二热液储水器304内，并且通过热液传输管310在两个热液储水器间转移。冷配气活塞液体320被置于第一冷液储水器306和第二冷液储水器308内，并且通过冷液传输管312在两个冷液储水器间转移。热配气活塞液体318被防止通过第一气体导管314和第二气体导管316进入到第一冷液储水器306或第二冷液储水器308内。冷配气活塞液体320被防止通过第一气体导管314和第二气体导管316进入第一热液储水器302或第二热液储水器304内。

在实施例中，第一气体导管314和第二气体导管316是垂直方向的。气体导管314和316的顶端设置成高于它们分别所在的热液储水器302和304的最高热液液面。气体导管314和316的底端设置成高于它们分别所在的冷液储水器306和308的最高冷液液面。

第一工作气体322通过第一气体导管314在第一热液储水器302和第一冷液储水器306之间自由移动。第二工作气体324在第二热液储水器304和第二冷液储水器308之间自由移动。热液储水器302、304与冷液储水器306、308之间的热梯度交替地增加和降低每个工作气体322、324的压强，其导致了热配气活塞液体318在热液储水器302和304之间循环，并导致了冷配气活塞液体320在冷液储水器306和308之间循环。还可以采用流量控制阀(未示出)，比如，设置在传输管310、312上，来保持热配气活塞液体318和冷配气活塞液体320的交替的流向，并允许有时间使第一工作气体322和第二工作气体324之间产生足够的压差。能量可以从配气活塞液体的流动中提取出来，通过提供一个与热液体流和/或冷液体流相接触的能量提取装置用于从液体配气活塞式发动机300中输出能量。现有技术中的一些能量提取装置是适用的，比如，可以在热液传输管310和/或在冷液传输管312内设置涡轮发电机(未示出)。本发明的一个包括有控制阀和涡轮发电机系统的实施例将结合图3A-3D被描述。

图3A中示出了一个液体配气活塞式发动机400，其中第一工作气体422被从第一冷液储水器406的较冷的环境中推进第一热液储水器402。第一热液储水器402的较热的环境对第一工作气体422加热。第二工作气体424被从第二热液储水器304的较热的环境中推进第二冷液储水器408。第二冷液储水器408的较冷的环境从第二工作气体424中提取热量。热液传输管410内的第一阀430是关闭的，冷液传输管412内的第二阀432是关闭的，这阻止了热配气活塞液体418和冷配气活塞液体420的流动，因此第一工作气体422和第二工作气体424维持一个固定的容积。当第一工作气体422变热后其压强开始增加，同时当第二工作气体424变冷后其压强开始降低。

图3B中示出了液体配气活塞式发动机400的下一状态，其中，在第一热液储水器402中一直被加热的第一工作气体422具有比在第二冷液储水器408中被冷却的第二工作气体424高的压强。随后，第二阀432被打开，并且第一阀430仍旧保持关闭。第一和第二工作气体422、424的压强(pressure)差导致冷配气活塞液体420通过冷液传输管412从第一冷液储水器406流向第二冷液储水器408，直到第一工作气体422的压强与第二工作气体424的压强相等为止。

在实施例中，第一轮机434被置于热液传输管410内，第二轮机436被置于冷液传输管412内。通过冷液传输管412的冷配气活塞液体420的流动导致第二轮机436的旋转，其能够用于驱动发电机或其它机械设备以此来从液体配气活塞式发动机400中提取能量。

图3C中示出了液体配气活塞式发动机400的下一状态，其中，第一阀430和第二阀432均关闭。冷配气活塞液体420的流动使得第二工作气体424不断地被压缩并从第二冷液储水器408进入第二热液储水器404，第二工作气体424在第二热液储水器404的较热的环境内被加热，进而提高了第二工作气体424的压强。第一工作气体422不断地膨胀并从第一热液储水器402进入到第一冷液储水器406内，第一工作气体422在第二冷液储水器406的较冷的环境内被冷却，进而降低了第一工作气体422的压强。

图3D中示出了液体配气活塞式发动机400的下一状态，其中，在第二热液储水器404中一直被加热的第二工作气体424具有比在第一冷液储水器406内被冷却的第一工作气体422高的压强。随后，第一阀被打开，并且第二阀432仍旧保持关闭。第一和第二工作气体422、424的压强差导致热配气活塞液体418通过热液传输管410从第二热液储水器404流向第一热液储水器402。通过热液传输管410的热配气活塞液体418的流动导致第一轮机434的旋转，以此来从液体配气活塞式发动机400中提取能量。

结合附图3A-3D所描述的循环不断地重复，每次新循环改变方向。

在一个实施例中，发明的液体配气活塞式发动机被应用在海洋热能转换(OTEC)系统内。在这个实施例中，热液储水器被设置在或接近海洋表面，冷液储水器被设置在深海，比如，大约200米深，此处的海水实际上较冷，以利用海洋的自然的温度梯度的优势，因此从海洋中提取热能。通过加大热液腔体的太阳能吸收，热和冷液储水器之间的温度梯度可以进一步增加。

本发明的各种实施例中的液体配气活塞式发动机的效率可以通过增加工作气体的升温和冷却速率来提高。热和冷液体储水器和/或第一气体导管和第二气体导管可以通过增加它们的表面积来设计成与外部环境进行高效的热交换的结构，比如，利用器件比如热沉和热管位于工作气体(和/或液体)与外部环境之间的界面。

参考附图4，本发明的一个实施例中提高液体配气活塞式发动机效率的方法被描述，其中，液体配气活塞式发动机450的冷工作液体460在一个或两个冷液储水器456、458内循环，该循环通过抽运通过喷嘴462、464的液体形成。由于工作气体被喷洒，从喷嘴462、464喷洒出来的冷工作液体增加了工作气体466的冷却速率。喷嘴462和464被设计成向工作气体喷洒配气活塞液体的液滴而不使配气活塞液体在工作气体内蒸发。循环泵476、478外部连接有用于接收电源和控制信号的部件，该部件未示出，其对于本领域普通技术人员是显而易见的，因此，当各个冷液储水器456、458内的工作气体需要被冷却时，相应的循环泵476、478被启动。阀468、470的操作参见之前的附图3A-3D的实施例中描述的。轮机472、474或其它能量提取装置参见之前的对附图3A-3D中描述的，可以用于从工作液体中提取能量。

尽管示出的用于循环配气活塞液体的循环泵476、478完全位于各自的配气活塞液体储水器内，但是本发明的一些实施例(未示出)中包括延伸出配气活塞液体腔体外的循环路径，那么优选的是，经过热交换器后返回各自的配气活塞液体储水器内。在至少的一个实施例中，每个配气活塞液体储水器配置有一个循环泵，使配气活塞液体通过其相应的热交换器后通过比如喷嘴喷洒配气活塞液体，使配气活塞液体返回到配气活塞液体储水器内。

结合附图5的本发明的一个实施例中描述了另一种提高液体配气活塞式发动机效率的方法，其中，冷配气活塞液体经过喷嘴被喷洒进入相应的冷液储水器来提高工作气体的冷却效率。液体配气活塞式发动机500包括通过热液传输管507和热液阀510与第二热液储水器相连的第一热液储水器502。第一冷液储水器506通过第一冷液传输管512和第一冷液阀513与第二冷液储水器508相连。第一冷液储水器506还通过第二冷液传输管515和第二冷液阀517与第二冷液储水器508相连。

图5所示的实施例与结合图3被描述的实施例的运行方式实质相同，只是阀513和517可控，比如通过控制器，来强迫从某个冷液传输管的入口端到该冷液传输管的出口端单向流动，同时关闭通过另一冷液传输管的液流。每个冷液传输管512、515的出口端的末端设置有喷嘴519，使得配气活塞液体被喷洒进入其相应的腔体内，因此可以更高效地从工作气体中吸热。喷嘴被设计成向工作气体喷洒配气活塞液体的液滴而不使配气活塞液体在工作气体内蒸发。

在实施例中，轮机521可被设置在热液传输管507、510和每个冷液传输管512、515内。通过相应的传输管的配气活塞液体的液流导致各自轮机的旋转，其能够用于驱动发电机或其它机械设备以此来从液体配气活塞式发动机500中提取能量。

通过在各配气活塞液体向其相应的液体储水器流动的过程中对热配气活塞液体进行预加热和/或对冷配气活塞液体进行预冷却，液体配气活塞式发动机500的效率可以得到进一步的提高。在实施例中，预加热盘管523被置于热液传输管507上，预冷却盘管525被置于每个冷液传输管512、515上。可选择地或除了预加热盘管523和预冷却盘管525外，一些其它预加热和/或预冷却装置可被用于在配气活塞液体向它们相应的液体储水器流动时对配气活塞液体进行预加热和/或预冷却。

本文中公开的各种阀可以由手动控制或由一些不同的控制器类型比如机械联动装置控制，比如：微型控制器或其它微处理机系统。本领域的普通技术人员应该乐于使用计算机控制的阀和泵，其能够为配气活塞液体传输定时以优化工作气体和配气活塞液体之间的热传递。比如，在一个实施例中，利用泵来帮助热和冷配气活塞液体的传输，以帮助配气活塞液体从一个配气活塞液体储水器流向另一相应的配气活塞液体储水器。在这个实施例中，计算机控制的阀的精确的定时来优化工作气体和配气活塞液体之间的热传递。除了冷配气活塞液体被喷嘴喷洒向工作气体之外，计算机控制的阀和泵的使用可与在热配气活塞腔体内用于将热配气活塞液体喷洒至工作气体的喷嘴结合使用。

热和冷配气活塞液体可能是相同的或不同的液体，优选地具有高热容量。在本发明的各个的实施例中适合用作热和冷配气活塞液体的例子包括水或在工作气体存在时、给定液体配气活塞式发动机的工作温度和压力下不改变状态的几乎任何液体。

第一和第二工作气体可能是相同的或不同种类的气体，并优选地具有高热容量。在本发明的各个实施例中适合用作工作气体的气体的例子包括比如空气、氮气、氢气和氦气。

虽然发明是结合实施例描述的，本领域技术人员应当理解作出的各种其它的变形、省略和/或可做的添加以及元素的实质等同替换均未脱离本发明的精神和范围。此外，在本发明的教导下的适合特殊工况或材料所作出的变形未脱离本发明的保护范围。因此，这意味着本发明不局限于为实施本发明所公开的个别的实施例，但本发明包括的所有的实施例，其落入所述权利要求的范围。另外，除非特殊指明，第一、第二等词的使用不意味着任何重要性次序，而是第一、第二等词是被用于元件之间的区分。

Claims (23)

1.一种能量转换设备，包括：

通过热液传输管与第二热液储水器相连的第一热液储水器；

通过冷液传输管与第二冷液储水器相连的第一冷液储水器；

连接第一热液储水器与第一冷液储水器的第一气体导管；

连接第二热液储水器与第二冷液储水器的第二气体导管；

置于第一热液储水器、第二热液储水器和热液传输管内的热配气活塞液体；

置于第一冷液储水器、第二冷液储水器和冷液传输管内的冷配气活塞液体；

在第一热液储水器和第一冷液储水器内施加第一气压的第一工作气体；

在第二热液储水器和第二冷液储水器内施加第二气压的第二工作气体；

其中，通过热梯度将第一热液储水器和第二热液储水器与第一冷液储水器和第二冷液储水器分开；并且

采用至少一个能量提取装置，其用于将热配气活塞液体或冷配气活塞液体任一的流动转换成能量用于从所述能量转换设备中输出。

2.如权利要求1所述的能量转换设备，其特征在于，热梯度交替地增加和降低每个工作气体的压强，导致热配气活塞液体在热液储水器之间循环和导致冷配气活塞液体在冷液储水器之间循环。

3.如权利要求1所述的能量转换设备，其特征在于，其中第一气体导管和第二气体导管被设置用于防止热配气活塞液体进入第一冷液储水器和第二冷液储水器，并且用于防止冷配气活塞液体进入第一热液储水器和第二热液储水器。

4.如权利要求3所述的能量转换设备，其特征在于，第一气体导管和第二气体导管为垂直方向，因此每个气体导管的顶端高于各自的热液储水器的最高热液液面设置；并且

其中每个气体导管的底端高于各自的冷液储水器的最高冷液液面设置。

5.如权利要求1所述的能量转换设备，包括：在热液传输管内设置的第一流量控制阀；和在冷液传输管内设置的第二流量控制阀。

6.如权利要求5所述的能量转换设备，包括：

与所述第一流量控制阀和所述第二流量控制阀相连的控制器，控制器被用于在决定继续交替热配气活塞液体和冷配气活塞液体流向时开和关第一流量控制阀和第二流量控制阀。

7.如权利要求6所述的能量转换设备，其特征在于，控制器适用于允许第一工作气体和第二工作气体之间产生足够的压差的时间，以此产生热配气活塞液体或冷配气活塞液体的流动。

8.如权利要求1所述的能量转换设备，其特征在于，至少一个轮机被设置在至少热液传输导管和冷液传输导管其中之一内。

9.如权利要求1所述的能量转换设备，包括：设置在至少热液传输导管和冷液传输导管之一上的至少一个喷嘴，所述喷嘴用于分别在热液储水器或冷液储水器内分别向第一或第二工作气体上分别喷洒热或冷配气活塞液体。

10.如权利要求1所述的能量转换设备，包括：

与冷配气活塞液体相连的预冷却器，用于从冷配气活塞液体中提取热量。

11.如权利要求1所述的能量转换设备，包括：

与热配气活塞液体相连的预加热器，用于对热配气活塞液体加热。

12.如权利要求1所述的能量转换设备，其特征在于，能量提取装置包括涡轮发电机。

13.如权利要求1所述的能量转换设备，包括：

与循环泵相连的喷嘴，所述喷嘴和循环泵被用于在一个或两个所述冷液储水器中循环所述冷配气活塞液体，以便当所述工作气体被所述冷配气活塞液体冷却时，所述冷配气活塞液体被喷洒向所述工作气体。

14.一种能量转换设备，包括：

通过第一热液传输管和第二热液传输管与第二热液储水器相连的第一热液储水器，第一热液传输管内设置有第一热液阀，第二热液传输管内设置有第二热液阀，其中每个热液传输管的出口末端设置有喷洒喷嘴；

通过第一冷液传输管和第二冷液传输管与第二冷液储水器相连的第一冷液储水器，第一冷液传输管内设置有第一冷液阀，第二冷液传输管内设置有第二冷液阀，其中每个冷液传输管的出口末端设置有喷洒喷嘴；

连接第一热液储水器与第一冷液储水器的第一气体导管；

连接第二热液储水器与第二冷液储水器的第二气体导管；

置于第一热液储水器、第二热液储水器、和至少第一热液传输管或第二热液传输管两者中之一内的热配气活塞液体；

置于第一冷液储水器、第二冷液储水器、和至少第一冷液传输管或第二冷液传输管两者中之一内的冷配气活塞液体；

第一工作气体在第一热液储水器和第一冷液储水器内施加第一气体压强；

第二工作气体在第二热液储水器和第二冷液储水器内施加第二气体压强；

其中，第一热液储水器和第二热液储水器与第一冷液储水器和第二冷液储水器间具有热梯度；并且

与所述第一热液阀、所述第二热液阀、所述第一冷液阀和所述第二冷液阀相连的控制器，控制器被用于在继续交替热配气活塞液体和冷配气活塞液体流向时开和关相应的第一和第二热和冷液阀，并且在每个传输管内强迫分别向它们出口端单向流动并分别通过喷洒喷嘴；并且

至少一个能量提取装置用于将第一配气活塞液体或第二配气活塞液体的流动转换成能量用于从能量转换设备中输出。

15.如权利要求14所述的能量转换设备，其特征在于，热梯度交替地增加和降低每个工作气体的压强，导致热配气活塞液体在热液储水器之间循环和导致冷配气活塞液体在冷液储水器之间循环。

16.如权利要求14所述的能量转换设备，其特征在于，第一气体导管和第二气体导管被设置用于防止热配气活塞液体进入第一冷液储水器和第二冷液储水器，并且用于防止冷配气活塞液体进入第一热液储水器和第二热液储水器。

17.如权利要求14所述的能量转换设备，其特征在于，控制器适用于允许第一工作气体和第二工作气体之间产生足够的压差的时间，以此导致热配气活塞液体或冷配气活塞液体通过各自的一个所述喷嘴来喷洒。

18.如权利要求14所述的能量转换设备，包括：

与冷配气活塞液体相连的预冷却器，用于从冷配气活塞液体中提取热量。

19.如权利要求14所述的能量转换设备，包括：

与热配气活塞液体相连的预加热器，用于对热配气活塞液体加热。

20.一种产生能量的方法，包括：

通过热液传输管将第一热液储水器与第二热液储水器相连；

通过冷液传输管将第一冷液储水器与第二冷液储水器相连；

通过第一气体导管将第一热液储水器与第一冷液储水器相连；

通过第二气体导管将第二热液储水器与第二冷液储水器相连；

将热配气活塞液体置于第一热液储水器、第二热液储水器和热液传输管内；

将冷配气活塞液体置于第一冷液储水器、第二冷液储水器和冷液传输管内；

提供第一工作气体在第一热液储水器和第一冷液储水器内施加第一气体压强；

提供第二工作气体在第二热液储水器和第二冷液储水器内施加第二气体压强；

其中，通过热梯度使第一热液储水器和第二热液储水器与第一冷液储水器和第二冷液储水器分开；并且

将热配气活塞液体或冷配气活塞液体任一的流动转换成能量用于从所述能量转换设备中输出。

21.如权利要求20所述的方法，进一步包括：

当所述工作气体被所述冷配气活塞液体冷却时，向所述工作气体喷洒所述冷配气活塞液体。

22.如权利要求20所述的方法，进一步包括：

所述冷配气活塞液体流经热交换器。

23.如权利要求21所述的方法，进一步包括：

所述热配气活塞液体流经热交换器。

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