[发明专利]压力平衡多腔容器、热力学能量转换器及操作方法

说明书

本发明涉及一种热力学能量转换器，包括用于将工作介质封闭在可变的内部容积内的至少一个第一容积元件和至少一个第二容积元件，该容积元件包括将内部容积分隔成换热器腔和工作腔的壁，其中在工作腔内形成有分隔件，所述分隔件将工作腔分隔成供应有工作介质的工作室和供应有置换流体的力传递室，换热器腔与工作室相互连接，使得容积元件内的工作介质具有相同的压力，并且每个换热器腔通过入口以及与入口分隔开形成的出口与工作室连接。根据本发明，作为换热器腔和工作室之间的连接的入口和出口分开设计，利用至少一个旋转阀，从而阻止流体流动通过换热器腔中的至少一个换热器腔，并支持流体流动通过换热器腔中的至少另一个换热器腔。

技术领域

本发明涉及一种用于热力学能量转换器的压力平衡多腔容器、热力学能量转换器及操作所述热力学能量转换器的方法。所述能量转换器分别用于将热能转换为机械能以及用于将机械能转换为热能。在热力学循环中，通过供给高温热能从外部加热气态工作介质，并通过去除低温热能从外部以循环的顺序冷却气态工作介质。机械能通过膨胀做攻产生。当完成一个循环后达到初始状态。所谓的压力平衡多腔容器是用于封闭工作介质的容积元件，该容积元件包括多个腔室，工作介质的压力在多个腔室之间自我平衡。

背景技术

循环至关重要的方面是完成一次这样的循环后，工作装置呈现出与循环开始时相同的状态。如果气体作为工作介质，它的状态可以由三个状态参数p(压力)、V(体积)和T(温度)定义。假设为理想气体，这三个参数之间的关系如下：

如果遵循热力学的这个基本原理，并将其作为构建工作或热机的基础，那么所需要的只是能够选择性地使状态参数p、V和T单独地或以组合的方式保持恒定或者改变的要素。利用这一要素，然后就可能实现以最佳方式单独改变工作装置的状态(例如，等容、等温、等压、绝热或多方状态变化)。因此，仅通过使用此单独的要素对工作装置的状态进行一系列不同的改变，就可以技术上实现任何期望的循环。

该循环可以在配备有气缸和活塞的热机中进行，通过机械运动活塞、连杆和曲轴的旋转运动将膨胀功转换为机械能。在US 8 938 942 B2中描述了这样的热机。该文献中公开了一种外燃闭式循环热机。该热机包括被封闭的气腔、加热器和冷却器。流体路径连接气腔和加热器与冷却器各自的入口侧和出口侧，入口和出口可以通过开关阀门开启或关闭。此外，还提供了一种用于移动工作气体的装置。通过开关阀门执行加热器和冷却器之间的工作气体的供应切换。提供一种由工作气体压缩或膨胀驱动的工作装置，特别是具有活塞和曲轴驱动器的气缸。加热器或冷却器的容积不影响该热机的效率，并且该热机在不同的工况下运转。

分别用于将热能转换为机械能以及用于将机械能转换为热能的这种已知的系统，在每种情况下都遵循单独的、固定的循环。这一点是不利的，在各自的操作领域中，该设计操作的范围在此方面会受到限制。但是，压缩主要是由曲轴驱动器的刚性运动模式引起的。

EP 2 775 109 A1公开了另一种用于将热能转换为机械能的能量转换器。该文献的公开内容同样利用了如下效果，借助于单一的状态变化，从一定量的气态工作介质中仅可以获得一次功。为了反复获得功，工作装置必须返回到初始状态。假设完全可逆，状态变化的简单逆转将会在这两种情况下仅消耗掉先前获得的功。如果需要获得功，则需要通过不同的方式达到初始状态。在这种情况下，状态周期性变化，即工作装置经过一个循环。然后只有这样才能将热能不断地转换为功。气态工作介质位于与外界封闭的容积中。

两个部分填充有作为置换流体的液压油的压力容器，通过网状管道与阀门液压连接。如果在第一压力容器中的工作介质的膨胀做功导致置换流体的覆盖表面向一个方向移动，如向下，并且置换流体从第一压力容器向第二压力容器移动，用于补偿第一压力容器中的置换流体的第二压力容器中的置换流体的覆盖表面将会向相反的方向移动。集成在两个压力容器之间的网状管道中的是力传递单元，如液压马达或线性驱动器，通过该力传递装置可以利用机械能。虽然有冲程顺序的状态变化，但由于两个液压连接的压力容器，也会产生两个循环同时发生。