專利名稱:兩相可控交變熱工裝置的制作方法
本發(fā)明-兩相可控交變熱工裝置，包括LH熱機和M熱泵。LH熱機利用密封容器中的蒸汽壓來做功。M熱泵利用密封容器中的交變蒸汽壓來獲得高溫或低溫。
本發(fā)明涉及熱管、參《熱管》，馬同澤等著;第二代熱管、參中華人民共和國專利局第85102929號專利申請;壓電材料、參科學(xué)出版社的《壓電陶瓷》「英」;螺旋發(fā)動機研制、參半月刊《科技參考消息》85年第二期;等有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域：
。
本發(fā)明的目的是為了更合理地利用各種熱能和余熱能、開發(fā)太陽能、地?zé)崮芎秃Ｑ鬁夭钅艿刃履茉础?br>本發(fā)明采用將液體噴到加熱面的方法來產(chǎn)生蒸汽，為使液體的分配合理和改善蒸發(fā)條件，在噴管和加熱面之間安放有吸液芯。並假定一、蒸汽被封閉在一個密封容器中，這個容器有一個熱端和一個傳熱作用可調(diào)的冷端，容器的其它部分的管壁有絕熱作用。二、容器內(nèi)的蒸汽壓可通過對熱端輸送工質(zhì)量的多少和調(diào)節(jié)冷端的傳熱能力而從某個最大值到最小值之間任意調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過程可在足夠短的時間內(nèi)完成並可反復(fù)進行。
本發(fā)明的工作過程為先令冷端傳熱作用為最小，並起動相應(yīng)的電動泵對容器的熱端噴射工質(zhì)。這時工質(zhì)受熱汽化，容器內(nèi)的蒸汽壓迅速增大直到達到對應(yīng)溫度下的飽和蒸汽壓，然后停止泵送並令冷端的傳熱作用為最大使蒸汽放熱凝結(jié)，容器內(nèi)的蒸汽壓很快達最小，這樣就可得到其壓力在最大值到最小值之間交變的蒸汽壓。
這個壓力可用來推動活塞來壓縮氣體、由熱學(xué)可知被壓縮部分的壓力增大同時溫度增高，這樣我們便得到品位更高的熱能。而且一旦被壓縮氣體中較多的熱能被取走后我們還可以利用它的膨脹作用來獲得低溫，這就是所謂的M熱泵。
又、如果我們利用這壓力來驅(qū)動氣動馬達、螺旋發(fā)動機或活塞，則可制成各種熱機。本文作者稱之為LH熱機。顯然它屬于外燃機。
本發(fā)明的關(guān)鍵是上面講到的電動泵;為此除用其它現(xiàn)有的泵外，本發(fā)明還專門設(shè)計了利用壓電材料的場致伸縮效應(yīng)而制成的壓電泵，這種壓電泵直接把電能變換成推動液體的機械能。具有成本低、使用壽命長、無機械摩擦、可靠性高和可微型化等優(yōu)點?！队脡弘姴牧现圃斓囊后w承送、開關(guān)器件》已同時向中國申請專利。
從傳熱角度看，這種熱工裝置的動力部分與第二代熱管相似，並且它較多采用了熱管技術(shù)故又可稱作熱管發(fā)動機及熱管熱泵。
由于采用對加熱面噴液的方法產(chǎn)生蒸汽，故裝置的熱時間常數(shù)短工作精度高。使用各種工質(zhì)可充分利用各種品位的熱源;M熱泵的動力部分工作頻率與功能部分的作用時間相匹配並且它利用高壓集熱以及采用熱管傳熱來代替通常的真空吸熱，故其效率較高並且不需要附加機械壓縮系統(tǒng)即可使低品位熱能變成高品位熱能。同時LH熱機可省去消耗功率而又操作復(fù)雜的液體循環(huán)供給系統(tǒng)。
LH熱機在外層空間也是一種理想能源，那里向陽和背陽面之間溫差大且熱通量也大所以熱效率高。通常太空中的宇航器需要時蓄電池進行加熱、對紅外攝象儀進行深冷保護，本發(fā)明對這種情況很適合。此外本發(fā)明中有關(guān)高壓汽體可直接用來調(diào)整宇航器的運行姿態(tài)以及用來對付運行中遇到的各種高速物體的碰撞，利用高壓汽體可高速回避或進行緩沖。對空間工廠來講，本發(fā)明比光電池耐幅射並可有一定的蓄能作用，其光電轉(zhuǎn)換效率也可以做得更高。
下面結(jié)合附圖來具體說明，附圖1為LH-1型熱機工作原理示意圖，主要由可控抗重力熱管11、12及其變形而成的左、右汽缸室7、8組合而成，兩室用活塞6隔開。電動泵10、16和電動泵9、17分成Ⅰ、Ⅱ兩組。由以上交待的交變汽壓的產(chǎn)生過程可知第Ⅱ(Ⅰ)組泵單獨工作時，對應(yīng)工質(zhì)18通過管道4和吸液芯2送到熱端1使受熱汽化。(7與11以及8與12之間的聯(lián)結(jié)面同時作為各自的冷端和熱端，這由熱管工作原理不難理解)由于蒸汽5的作用使左(右)缸室中的壓力大于右(左)缸室的，故使活塞右(左)移，受壓縮的汽體其溫度和壓力都會增大，但升高的溫度很快通過熱管12(11)傳到冷端13移走，隨著熱量的移走，右(左)缸壓中的壓力變小使活塞向右(左)運動受到的阻力減小並進一步向前運動。這個運動通過連桿14輸出以推動飛輪15運動，圖中的管壁3在冷端和熱端-分別用向外和向里的箭頭表示-以外都涂有絕熱涂料。(圖中省略未畫出)附圖2為LH-2型熱機工作原理示意圖。主要由可控抗重力熱管19、20及其變形18、15組成。該熱機輸出轉(zhuǎn)速較高。由電動泵8、6和7、9組成的Ⅰ、Ⅱ兩組泵各交替工作一段時間，從而分別使由齒輪2隔開的密封容器15、18-可看作左、右兩個汽室-產(chǎn)生壓力差。在泵8(7)工作時，工質(zhì)10被通過管道12和吸液芯4送到熱端3並受熱汽化、同時熱管19(20)則將汽室18(15)中的熱量傳到冷端11移走，以使汽室15(18)的蒸汽16的壓力大于18(15)的壓力從而推動齒片14使齒輪2轉(zhuǎn)動並由輸出軸1輸出轉(zhuǎn)矩。這里兩個汽室和齒輪一起構(gòu)成一個汽動馬達，斜線5為齒條14的簡化畫法。點劃線13為對稱中心線。17為容器壁。LH-2熱機可反向運動以解決工質(zhì)供應(yīng)問題。也可在齒根園中加工一條凹槽來向高壓區(qū)帶回工質(zhì)，這時就可以不必用兩組熱管和電動泵並且輸出也為單向連續(xù)的了。附圖3為LH-3型熱機工作原理示意圖。它可以單方向連續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩;由容器壁1制成的密封外殼中，一對螺旋齒輪5與6、齒輪罩殼7以及隔離層9將容器分成上、下缸室兩部分，分別對應(yīng)于3和12所處的空間。上下缸室間可由緩沖重力閥13溝通，該熱機工作原理是起動電動泵14將工質(zhì)8通過管道和吸液芯11送到熱端10，產(chǎn)生的蒸汽12推動螺旋齒輪轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)矩由輸出軸15輸出。從螺旋齒輪出來的蒸汽3在壓差作用下流向冷端2並凝結(jié)。標(biāo)記4為螺旋齒輪的軸承座。下面介紹螺旋發(fā)動機，為了能在負荷變動大、熱源波動大和汽壓較小等情況下高效率地獲得動力。人們對汽輪機葉片加以改進，使蒸汽對葉輪的作功不是一下完成而是在整個有效螺道內(nèi)均衡作用、發(fā)動機的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)由兩根螺旋狀的陰陽嚙合的轉(zhuǎn)動葉片組合而成。其機械制圖未能查到有關(guān)圖例而暫時杜撰如圖示。在這兩根螺旋狀轉(zhuǎn)動葉片構(gòu)成的小容量齒槽內(nèi)通入的蒸汽會在壓力差作用下發(fā)生膨脹並使轉(zhuǎn)動葉片旋轉(zhuǎn)以擴大容積，此時轉(zhuǎn)動葉片的力就作為動力輸出。
附圖3中的緩沖重力閥利用重力將低壓區(qū)液體送到高壓區(qū)而可以不致對這些壓力區(qū)的穩(wěn)定造成大的沖擊，其工作原理是利用雙極壓電陶瓷片17、20在電場作用下發(fā)生象雙金屬片受熱時產(chǎn)生的那種彎曲變形-如18、21處虛線所示-來產(chǎn)生開關(guān)作用。在局部放大圖中、16為閥口，19為閥殼;8、18、21處依次對應(yīng)為低壓、緩沖、高壓區(qū)。閥門工作過程如下先對雙極型壓電陶瓷片17加電壓使其下彎，開關(guān)17開。這時緩沖區(qū)和低壓區(qū)經(jīng)短時間運動氣壓趨于一致並且工質(zhì)8在重力作用下經(jīng)閥口16流入緩沖區(qū)，這時令開關(guān)17關(guān)閉，打開開關(guān)20，工質(zhì)流入高壓區(qū)后開關(guān)20關(guān)閉。這就完成了液體從低壓區(qū)向高壓區(qū)的轉(zhuǎn)移。
附圖4是M-1型熱泵的工作原理示意圖。這里約定我們總是將其動力軸7聯(lián)結(jié)在LH-1型熱機的連桿上因而可任意往復(fù)推動活塞5作功。從圖中可看到活塞將一個密封容器-其容器壁如標(biāo)記號4所示-分隔成左、右兩個腔體記為9、10。每個腔體各有一根重力熱管2和一組用于送入及引走汽體的閥門3、8和6、11。熱泵的工作原理是假定活塞處于虛線位置並且腔體9中已充滿低熱氣體。先關(guān)閉閥3、8、11，打開閥6以便活塞向左移動時可引入低熱氣體?；钊蔁釞C帶動對左腔室的汽體進行壓縮，氣體受壓縮產(chǎn)生的高溫由熱管引到冷端1處。隨著熱量的移走使腔體9當(dāng)中的壓力相對變小並使活塞運行到左極限位置。這時打開閥門8、壓縮氣體沖出並冷卻，它們可用作冷源。(這是本發(fā)明的一個精彩之處、用低品位熱能將低品位熱源分離成低溫和高溫源再用來作功)接著關(guān)上閥門8和6，打開閥門3使活塞向右運動對右缸室汽體進行壓縮並引出高溫?zé)崮?，這樣周而復(fù)始就可實現(xiàn)將低品位熱能變成高品位熱能。
附圖5是M-2型熱泵的工作原理示意圖，與圖1不同在于它是內(nèi)熱式的即被加熱的物體可間斷或連續(xù)地送到加熱箱6中加熱。並且這里外部熱能是以熱端16來加熱低熱容器15中的汽體或液體的方式來做功的，這些汽體或液體被作為熱能的載體反復(fù)使用。M-2熱泵的工作過程是設(shè)活塞在左(右)極限時，活塞的右(左)腔體中充滿了從低熱容器15來的低熱汽體，現(xiàn)在關(guān)閉閥門14、12(13、7)當(dāng)活塞在動力-認為其動力軸1已與LH-1熱機的連桿相連-作用下由左(右)向右(左)運動時，被壓縮的低熱汽體溫度升高並對加熱箱中的物體加熱、隨著熱量被吸收和右(左)缸室中的壓力進一步變小、活塞最終運行到右(左)極限、這時打開閥14(13)，壓縮汽體進入低熱容器從容器中吸收熱量，然后關(guān)閉閥14(13)打開閥12(7)，活塞向左(右)運動時，加熱的汽體進入右(左)腔室並為下一個同樣過程作準(zhǔn)備。由于容器對稱，另一半的情況完全可被理解。這樣也就實現(xiàn)了將低熱汽體分離成高、低溫兩部分的功能。這個模型中的加熱箱閥門5、11(2、8)的開閉由加工要求定。(圖中閥門7上的管道的省略當(dāng)不引起誤解)附圖6是M-3型制冷機的工作原理示意圖，其原理與M-2型熱泵相同，只是它是從容器12中抽取熱量-而不是由外部通過兩個低熱容器提供熱量-以使容器12中溫度降低並且它是用熱管引出系統(tǒng)的熱量。其工作過程的敘述這里省略了。圖中各標(biāo)記表示1，熱能引出。2，重力熱管。3，容器壁。4，活塞。5，軸桿。6，左腔室。7，右腔室。8、9、10、11等為閥門。12，低溫室。
在本發(fā)明的具體設(shè)計中，有關(guān)工質(zhì)(通常在室溫上下溫度變化幾十度可引起飽和蒸汽的幾十個大氣壓的變化)容器材料(如金屬、陶瓷及各種復(fù)合材料)冷熱端形狀以及功能部件的工作方式的選擇要根據(jù)具體情況來決定以獲得最佳的效果。此外除了要考慮負荷及熱源的波動外，對于引用熱反饋和串級工作的情況要考慮冷熱端的設(shè)置引起的起動以及低溫?zé)峁茉诔叵碌某邏簡栴}和各種裝置的密封問題。對LH-2，LH-3型熱機如負載能裝在密封容器內(nèi)則密封問題能容易解決。此外，當(dāng)熱端溫度過高時，如在用作斯特靈發(fā)動機的一部分時要防止所使用的壓電泵中壓電材料的高溫失效問題。
說明書續(xù)頁附圖1中標(biāo)記說明為(1)熱端;(2)吸液芯;(3)熱機管壁;(4)工質(zhì)輸送管道;(5)蒸汽;(6)活塞;(7)左腔室;(8)右腔室;(9)、(10)、(16)、(17)電動泵;(11)、(12)熱管;(13)冷端;(14)連桿;(15)飛輪;(18)工質(zhì)。附圖2中標(biāo)記說明為(1)動力輸出軸;(2)齒輪;(3)熱端;(4)吸液芯;(5)斜線(表示齒輪的機械制圖簡略符號);(6)、(7)、(8)、(9)電動泵;(10)工質(zhì);(11)冷端;(12)工質(zhì)輸送管道;(13)對稱中心線;(14)齒輪齒片;(15)高壓汽室;(16)蒸汽;(17)容器壁;(18)低壓汽室;(19)、(20)熱管。附圖3中標(biāo)記說明為(1)容器壁;(2)冷端;(3)高壓缸室蒸汽;(4)軸承座;(5)、(6)一對陰陽嚙合螺旋齒輪;(7)齒輪罩殼;(8)工質(zhì);(9)高低壓隔離層;(10)熱端;(11)吸液芯;(12)低壓缸室蒸汽;(13)緩沖重力閥;(14)電動泵;(15)動力輸出軸;(16)閥口;(17)、(20)雙極壓電陶瓷片開關(guān);(18)、(21)壓電片工作下限位置;(19)閥殼。附圖4中標(biāo)記說明為(1)冷端;(2)熱管;(3)、(6)、(8)、(11)閥門;(4)容器壁;(5)活塞;(7)動力輸入軸;(9)左腔室;(10)右腔室。圖5中標(biāo)記說明為(1)動力輸入軸;(2)、(5)、(7)、(8)、(11)、(12)、(13)、(14)閥門;(3)泵殼;(4)活塞;(6)加熱箱;(9)左腔室;(10)右腔室;(15)低熱容器;(16)熱端。附圖6中標(biāo)記說明為(1)熱能引出;(2)重力熱管;(3)容器壁;(4)活塞;(5)動力輸入軸桿;(6)左腔室;(7)右腔室;(8)、(9)、(10)、(11)閥門;(12)低溫室(被冷卻容器)。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明-兩相可控交變熱工裝置、包括LH熱機和M熱泵是一種利用外部溫差、通過調(diào)節(jié)容器內(nèi)工質(zhì)向熱端的輸送量和調(diào)節(jié)冷端的傳熱作用來促進密封容器中的相變-汽相和液相轉(zhuǎn)變-以改變或調(diào)節(jié)密封容器中的汽壓并使之作功的機器。
2.權(quán)項1所講的LH熱機是直接將熱能變成機械能輸出的熱能發(fā)動機，其內(nèi)部裝有可將工質(zhì)輸?shù)綗岫说碾妱颖?，并且一般這些電動泵在一個連通的容器中工作。并且熱機通常包含有可控?zé)峁堋?br>3.權(quán)項2所講的電動泵的電源和控制部分裝在容器外面。
4.權(quán)項2所講的電動泵是指一種利用壓電效應(yīng)工作的電動泵。
5.權(quán)項1所講M熱泵在外力作用下通過對汽體進行壓縮升溫和膨脹制冷來使各種品位的熱能變成溫度更高的熱能并同時獲得溫度更低的低溫。
6.權(quán)項5所講外力通常是由通過活塞產(chǎn)生輸出功的LH熱機提供的。
7.權(quán)項1中所指的作功包括作機械功和改變系統(tǒng)的內(nèi)能。
專利摘要
本發(fā)明——兩相可控交變熱工裝置，包括LH熱機和M熱泵。通過加入和移去密閉容器中的熱量，從而使工質(zhì)在兩相——液相和汽相——之間不斷轉(zhuǎn)化所造成的汽壓差將熱能變換成機械能來作功。由于利用了熱管技術(shù)和具有制造容易，使用壽命長等優(yōu)點的壓電材料制造的液體泵送，開關(guān)器件，所以在開發(fā)太陽熱和余熱利用方面比現(xiàn)有的技術(shù)有更高的效率。此外M熱泵還省略了通常使用高品位能源的附加壓縮機械，并可用于制冷。
文檔編號F22B1/02GK85104889SQ85104889
公開日1986年9月3日 申請日期1985年6月21日
發(fā)明者施國梁 申請人:施國梁導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan