阅读:46发布:2021-02-24

专利汇可以提供专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且一种热 力 机,其包括 转子 、 工作 流体 循环 驱动器 、至少一个工作流体冷却器 热交换器 和工作流体加热器,转子构造成绕转子轴线旋转,在转子内形成有工作流体循环路径和冷却剂流体路径,冷却剂流体路径与工作流体循环路径流体地隔离,工作流体循环路径从转子轴线径向地跨越至接近转子的周缘,工作流体循环驱动器构造成驱动工作流体绕工作流体循环路径的循环,所述至少一个工作流体冷却器热交换器形成为工作流体循环路径和冷却剂流体路径的一部分,在使用时冷却剂流体穿过工作流体冷却器热交换器以使热从工作流体传递至冷却剂流体,工作流体加热器在工作流体循环路径中并构造成加热绕工作流体循环路径循环的工作流体。,下面是专利的具体信息内容。

1.一种热机,包括:
转子,所述转子构造成在使用时绕转子轴线旋转,在所述转子内形成有工作流体循环路径和至少一个冷却剂流体路径,所述冷却剂流体路径与所述工作流体循环路径流体隔离,所述工作流体循环路径从所述转子轴线处或从所述转子轴线附近大致沿径向跨越至接近所述转子的周缘,
工作流体循环驱动器,所述工作流体循环驱动器构造成驱动工作流体绕所述工作流体循环路径的循环;
至少一个工作流体冷却器热交换器,所述至少一个工作流体冷却器热交换器形成为所述工作流体循环路径和所述冷却剂流体路径的一部分,并且构造成使得在使用时穿过所述工作流体冷却器热交换器的冷却剂流体极为接近所述工作流体从而使热从所述工作流体传递至所述冷却剂流体;
至少一个工作流体加热器,所述至少一个工作流体加热器形成为所述转子内的所述工作流体循环路径的一部分并构造成加热绕所述工作流体循环路径循环的工作流体。
2.根据权利要求1所述的热力机,还包括主要由氙、氪或氩中的一者或更多者构成的工作流体。
3.根据权利要求2所述的热力机,其中,当在所述转子内的所述工作流体循环路径内在低于5MPa的最小压力下使用时所述工作流体为氙。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的热力机,其中,所述热力机还包括壳体,所述转子至少部分地封装在所述壳体内。
5.根据权利要求4所述的热力机,其中,使用时,所述壳体相对于所述壳体外的大气部分地抽真空以减少所述壳体内的气体的密度
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的热力机,其中,所述工作流体路径构造成使得在使用时所述工作流体从所述转子轴线沿大致径向向外的方向流动穿过所述至少一个工作流体冷却器热交换器。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的热力机,其中,所述工作流体路径构造成使得在使用时所述工作流体朝向所述转子轴线沿大致径向向内的方向流动穿过所述至少一个工作流体加热器。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的热力机,其中,所述工作流体循环路径结合有至少一个形成为膨胀通路的部段,所述膨胀通路在径向跨度上延伸,并且所述工作流体经由所述膨胀通路从较大的半径流动至较小的半径。
9.根据权利要求8所述的热力机,其中,所述工作流体循环路径结合有多个膨胀通路部段,所述多个膨胀通路部段在径向跨度上延伸,所述工作流体在使用时并行地经由所述多个膨胀通路部段从较大的半径流动至较小的半径。
10.根据权利要求9所述的热力机,其中,所述膨胀通路关于所述转子轴线周向地分布。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的热力机,其中,所述工作流体循环路径结合有形成为在径向跨度上延伸的压缩通路的至少一个部段,所述工作流体在使用时经由所述压缩通路从较小的半径流动至较大的半径。
12.根据权利要求11所述的热力机,其中,所述工作流体循环路径结合有多个压缩通路部段,所述多个压缩通路部段在径向跨度上延伸,所述工作流体在使用时并行地经由所述多个压缩通路部段从较小的半径流动至较大的半径。
13.根据权利要求12所述的热力机,其中,所述压缩通路关于所述转子轴线周向地分布。
14.根据权利要求1至13中的任一项所述的热力机,其中,所述工作流体循环路径包括一个或更多个压缩通路,所述一个或更多个压缩通路构造成使得:在使用时随着所述工作流体大致径向向外地流动穿过所述一个或更多个压缩通路,所述工作流体经历大致绝热的压缩并且出入所述工作流体的热传递很少或没有。
15.根据权利要求1至14中的任一项所述的热力机,其中,所述工作流体循环路径包括一个或更多个膨胀通路,所述一个或更多个膨胀通路构造成使得:在使用时随着所述工作流体大致径向向内地流动穿过所述一个或更多个膨胀通路,所述工作流体经历膨胀并且出入所述工作流体的热传递很少或没有。
16.根据权利要求1至15中的任一项所述的热力机,还包括高温工作流体加热器,并且其中,所述工作流体循环路径至少部分地构造成用作用于所述工作流体的离心热虹吸管,使得在平均半径处在所述高温工作流体加热器内对绕所述工作流体循环路径循环的所述工作流体进行热能输入,所述平均半径比从所述工作流体提取相同的热能所在处的平均半径大。
17.根据权利要求16所述的热力机,其中,在所述转子的最外侧半径处或在所述转子的最外侧半径附近进行向所述工作流体的离心热虹吸热能输入。
18.根据权利要求16或权利要求17所述的热力机,其中,在所述高温工作流体加热器中进行向所述工作流体的离心热虹吸热能输入。
19.根据权利要求18所述的热力机,其中,所述高温工作流体加热器构造成主要通过在所述转子轴线处或在所述转子轴线附近进入和离开所述转子的高温加热流体来进行加热。
20.根据权利要求19所述的热力机,其中,所述高温工作流体加热器包括逆流高温工作流体加热器,所述逆流高温工作流体加热器具有工作流体路径和高温加热流体路径,所述逆流高温工作流体加热器构造成使得在使用时所述工作流体紧邻用于所述高温加热流体的进口离开所述逆流高温工作流体加热器。
21.根据权利要求20所述的热力机,其中,所述逆流高温工作流体加热器构造成使得离开所述逆流高温工作流体加热器的所述工作流体比离开所述逆流高温工作流体加热器的所述高温加热流体热。
22.根据权利要求18所述的热力机,还包括辐射接收器,所述辐射接收器构造成通过来自辐射热源的辐射热传递来接收热能,所述高温工作流体加热器通过来自所述辐射接收器的热传导被加热。
23.根据权利要求16至22中的任一项所述的热力机,其中,所述高温工作流体加热器构造成使得添加至流经所述高温工作流体加热器的所述工作流体的大部分热能在所述工作流体从较大的半径流动至较小的半径的同时被添加。
24.根据权利要求1至23中的任一项所述的热力机,其中,所述热力机构造成在使用时从低温传热流体吸收热能并将该热能传递至相对于所述低温传热流体处于更高温度的温热传热流体。
25.根据权利要求1至24所述的热力机,其中,所述至少一个工作流体加热器为低温工作流体加热器,所述低温工作流体加热器构造成使得在使用时流过所述低温工作流体加热器的工作流体将从流过所述低温工作流体加热器的低温传热流体吸收热能。
26.根据权利要求1至25中的任一项所述的热力机,其中,所述至少一个工作流体冷却器构造成使得在使用时流过所述工作流体冷却器的工作流体会将热能传递至流过所述工作流体冷却器的为冷却剂流体的温热传热流体中。
27.根据权利要求24至26中的任一项所述的热力机,其中,所述工作流体循环路径和所述冷却剂流体路径构造成使得在使用时所述低温传热流体和所述温热传热流体两者中的每一者均在所述转子轴线处或在所述转子轴线附近进入和离开所述转子。
28.根据权利要求24至27中的任一项所述的热力机,其中,所述工作流体循环驱动器包括位于所述转子内的压缩机
29.根据权利要求28所述的热力机,其中,所述工作流体循环路径构造成使得所述工作流体在使用时以连续的方式在有序的环路中在所述转子轴线处或在所述转子轴线附近流动穿过压缩机,径向向外地流动穿过一个或更多个压缩通路,径向向外流动穿过所述工作流体冷却器从而将热传递至所述温热传热流体,径向向内地流动穿过一个或更多个膨胀通路,径向向内地流动穿过所述低温工作流体加热器从而自所述低温传热流体吸收热能,然后流回到所述压缩机中。
30.根据权利要求24至28中的任一项所述的热力机,其中,所述工作流体循环至少部分通过离心热虹吸驱动。
31.根据权利要求30所述的热力机,其中,所述转子内的所述工作流体循环路径构造成使得所述工作流体在使用时以连续的方式在有序的环路中从所述转子轴线处或从所述转子轴线附近径向向外地流动穿过一个或更多个压缩通路,在所述转子的最大半径处或在所述转子的最大半径附近流动穿过所述高温工作流体加热器,径向向内地流动穿过一个或更多个膨胀通路,径向向外流动穿过所述工作流体冷却器从而将热传递至所述温热传热流体,径向向内地流动穿过一个或更多个膨胀通路,径向向内地流动穿过所述低温工作流体加热器从而自所述低温传热流体吸收热能,然后流回到所述压缩通路的径向内端部中。
32.根据权利要求30所述的热力机,其中,所述转子内的所述工作流体循环路径构造成使得所述工作流体在使用时以连续的方式在有序的环路中从所述转子轴线处或从所述转子轴线附近径向向外地流动穿过一个或更多个压缩通路,径向向外地流动穿过第一工作流体冷却器从而将热传递至所述温热传热流体,径向向外地流动穿过一个或更多个压缩通路,在所述转子的最大半径处或在所述转子的最大半径附近流动穿过所述高温工作流体加热器,径向向内地流动穿过一个或更多个膨胀通路,径向向外地流动穿过第二工作流体冷却器从而将热传递至所述温热传热流体,径向向内地流动穿过一个或更多个膨胀通路,径向向内地流动穿过所述低温工作流体加热器从而自所述低温传热流体吸收热能,然后流回到所述压缩通路的径向内端部中。
33.根据权利要求30所述的热力机,其中,所述转子内的所述工作流体循环路径构造成使得所述工作流体在使用时以连续的方式在有序的环路中从所述转子轴线处或从所述转子轴线附近径向向外地流动穿过一个或更多个压缩通路,径向向外地流动穿过第一工作流体冷却器从而将热传递至所述温热传热流体,在所述转子的最大半径处或在所述转子的最大半径附近流动穿过所述高温工作流体加热器,径向向内地流动穿过一个或更多个膨胀通路,径向向内地流动穿过所述低温工作流体加热器从而自所述低温传热流体吸收热能,然后流回到所述压缩通路的径向内端部中。
34.根据权利要求31至33所述的热力机,还包括位于所述转子内的所述工作流体循环路径中的紧随所述低温工作流体加热器之后的压缩机,所述压缩机能够操作成至少部分地驱动所述工作流体的循环。
35.根据权利要求24至34中的任一项所述的热力机,其中,所述温热传热流体在与所述低温传热流体相反的端部处进入和离开所述转子。
36.根据权利要求30至35中的任一项所述的热力机,其中,所述冷却剂流体在使用时保持在100℃以上的温度。
37.根据权利要求1至23中的任一项所述的热力机,其中,所述热力机适于作为发动机操作。
38.根据权利要求1至23中的任一项所述的热力机,其中,所述高温工作流体加热器的外径向界限位于所述转子的周缘处或位于所述转子的周缘附近,并且所述工作流体冷却器的内径向界限定位成比所述高温工作流体加热器的内径向界限更靠近所述转子轴线,使得所述工作流体在所述转子内通过工作流体离心热虹吸驱动。
39.根据权利要求37或权利要求38所述的热力机,其中,所述热力机还包括位于所述转子轴线处或位于所述转子轴线附近的涡轮,所述涡轮构造成从循环的所述工作流体中所产生的压力增益吸取动力。
40.根据权利要求37至39中的任一项所述的热力机,其中,所述工作流体循环路径构造成使得在使用时所述工作流体以连续的方式在有序的环路中流动穿过位于所述转子轴线处或位于所述转子轴线附近的涡轮,径向向外地流动穿过所述工作流体冷却器从而将热传递至所述冷却剂流体,径向向外地流动穿过一个或更多个压缩通路,在所述转子的最大半径处或在所述转子的最大半径附近流动穿过所述高温工作流体加热器,径向向内地流动穿过一个或更多个膨胀通路,然后流回到所述涡轮中。
41.根据权利要求37至39中的任一项所述的热力机,其中,所述工作流体循环路径构造成使得在使用时所述工作流体以连续的方式在有序的环路中流动穿过位于所述转子轴线处或位于所述转子轴线附近的涡轮,径向向外地流动穿过所述工作流体冷却器从而将热传递至所述冷却剂流体,在所述转子的最大半径处或在所述转子的最大半径附近流动穿过所述高温工作流体加热器,径向向内地流动穿过一个或更多个膨胀通路,然后流回到所述涡轮中。
42.根据权利要求39至41中的任一项所述的热力机,所述热力机构造成使得在使用时从所述涡轮流出的所述工作流体的温度处于冷却剂流体温度在50开氏度内的温度下。
43.根据权利要求37至42中的任一项所述的热力机,其中,所述流体路径构造成使得在使用时所述高温加热流体和所述冷却剂流体在相反两端部处或在相反两侧进入和离开所述转子。
44.根据权利要求37至43中的任一项所述的热力机,还包括至少一个储存器,所述至少一个储存器用于所述高温加热流体、所述温热传热流体、所述低温传热流体中的一者或更多者,所述储存器位于所述转子外。
45.根据权利要求1至44中的任一项所述的热力机,其中,所述工作流体循环路径包括一个或更多个径向地面向内的工作流体冷凝物回转收集腔,所述工作流体冷凝物回转收集腔在所述转子内的最冷的热交换器的外半径处或接近所述转子内的最冷的热交换器的外半径围绕所述转子轴线布置,冷凝的工作流体能够积聚在所述工作流体冷凝物回转收集腔中。
46.根据权利要求1至45中的任一项所述的热力机,其中,所述一个或更多个热交换器具有绕所述转子轴线的环形回转体的总体形式,由具有大致螺旋形的总体形式的多个并行流动的工作流体流动通道穿透所述环形回转体,所述多个并行流动的工作流体流动通道通过散热片轴向地分隔并且通过以所述转子轴线为中心的螺旋形壁周向地分隔,所述螺旋形壁连接所述热交换器的内径向表面与外径向表面并且周向地且轴向地成阵列排布在所述热交换器内。
47.根据权利要求46所述的热力机,其中,所述一个或更多个热交换器内的所述工作流体流动通道至少部分地由结合在一起成整体的轴向多层金属箔组成部件形成。
48.根据权利要求47所述的热力机,其中,所述轴向多层金属箔组成部件通过对存在于所述热交换器的至少其中一些所述金属箔组成部件上的表面涂层合金进行硬钎焊而结合。
49.根据权利要求46至48中的任一项所述的热力机,其中,所述一个或更多个热交换器内的所述工作流体流动通道形成为通过多个螺旋形指状部分隔的轴向相邻的环形盘之间的空间,所述多个螺旋形指状部基本上均匀地绕所述转子轴线成阵列排布并且在所有轴向层之间轴向地对准而提供平行于所述转子轴线的连续的轴向材料柱,所述轴向材料柱具有轴向螺旋形柱的总体形式。
50.根据权利要求46至48中的任一项所述的热力机,其中,所述至少一个热交换器内的所述工作流体流动通道形成为轴向多层大致呈圆形阵列的基本上相同的螺旋形区段之间的空间,所述大致相同的螺旋形区段绕所述转子轴线以恒定的弧形均匀地间隔而形成圆形阵列,相邻的圆形阵列绕所述转子轴线成角度地偏置以沿其横向螺旋形边缘形成一致的搭接部,相继的圆形阵列之间的搭接部轴向地对准而提供平行于所述转子轴线的连续的轴向材料柱,所述轴向材料柱具有轴向螺旋形柱的总体形式。
51.根据权利要求46至50中的任一项所述的热力机,其中,所述热交换器还具有轴向地穿通所述轴向螺旋形柱的多个轴向流体管,所述多个轴向流体管平行于旋转轴线排列并且构造成允许流体从中穿过以实现自以及至所述工作流体的热传递。
52.根据权利要求51所述的热力机,其中,所述热交换器的所述轴向流体管的内表面通过包括下述过程的列表中的一个或更多个过程来密封防止流体泄漏:将更小的管插入并结合在所述轴向流体管内、金属层、熔合焊接或硬钎焊、涂敷聚合物密封剂
53.根据权利要求1至45中的任一项所述的热力机,其中,所述热交换器形成绕所述转子轴线的大致环形的本体,所述热交换器内的所述工作流体循环路径构造成使得所述工作流体同时径向向内或径向向外地流动穿过多个工作流体流动通道,每个通道均成形为从所述转子轴线向外呈螺旋形行进,螺旋形的所述工作流体流动通道周向地且轴向地成阵列排布。
54.根据权利要求53所述的热力机,其中,螺旋形的所述通道的横截面面积随半径增大而减小。
55.根据权利要求53或权利要求54所述的热力机,其中,所述热交换器还包括成形为从所述转子轴线向外呈螺旋形行进的多个冷却剂流体通道和/或加热流体通道,所述冷却剂流体通道或所述加热流体通道周向地且轴向地成阵列排布,使得所述冷却剂流体或所述加热流体同时以与所述工作流体流体隔离的方式径向向内或径向向外地流动穿过多个螺旋形通道。
56.根据权利要求53至55中的任一项所述的热力机,其中,在使用时冷却剂流体和工作流体径向向外地流动穿过它们各自的热交换器螺旋形通道。
57.根据权利要求53至55中的任一项所述的热力机,其中,在使用时加热流体在工作流体径向向内流动的同时径向向外地流动穿过所述热交换器,各流体分别流动穿过它们各自的热交换器螺旋形通道。
58.根据权利要求46至57中的任一项所述的热力机,其中,所述流动通道和/或所述轴向流动管构造成使得在操作中流动穿过所述热交换器的一种流体或两种流体以层流和/-1
或低于2m.s 的通道或管内平均总体流速流动。
59.根据权利要求53至58中的任一项所述的热力机,其中,每种流体的螺旋形的所述流动通道轴向地成阵列排布而形成同一流体从中流动穿过的多个通道的轴向螺旋形柱,该柱大致平行于所述转子轴线对准,所述热交换器还包括多个散热片,所述多个散热片大致垂直于所述转子轴线对准并在所述热交换器中定位成分隔轴向相邻的螺旋形流动通道。
60.根据权利要求53至58中的任一项所述的热力机,其中,每种流体的螺旋形的所述流动通道轴向地成阵列排布而形成同一流体从中流动穿过的多个通道的轴向螺旋形柱,所述柱绕所述转子轴线螺旋地盘绕,所述热交换器还包括多个散热片,所述多个散热片大致垂直于所述转子轴线对准并在所述热交换器中定位成分隔轴向相邻的螺旋形流动通道。
61.根据权利要求59或60所述的热力机,其中,周向相邻的螺旋形流动通道柱在传送工作流体与传送冷却剂流体或加热流体之间交替。
62.根据权利要求53至61中的任一项所述的热力机,还包括轴向连接通路,所述轴向连接通路位于螺旋形的所述流动通道的径向内端部和/或径向外端部处以分布去往轴向相邻的螺旋形的流动通道的流体流或收集离开轴向相邻的螺旋形的流动通道的流体流。
63.根据权利要求53至62中的任一项所述的热力机,其中,所述热交换器的螺旋形的通道由大体环形轮廓的层叠件的轴向堆叠体形成,所述层叠件具有穿通所述层叠件切割出的和/或切入一个或两个轴向面中的穿孔和/或其它结构,所述层叠件轴向地堆叠并且结合在一起成为实心的大体环形或圆筒形的体,使得所述穿孔和/或结构形成所述热交换器层叠件堆叠体内的用于工作流体和冷却剂流体或加热流体的内部流体流动通路。
64.根据权利要求59至63中的任一项所述的热力机,其中,所述热交换器构造成使得用于其中一种流体的在轴向方向上的散热片的数目大于用于另一种流体的在轴向方向上的散热片的数目。
65.根据权利要求64所述的热力机,其中,使用多达四种不同层叠件类型以形成所述层叠件堆叠体,所述层叠件堆叠成使得所述堆叠体在具有1个层叠件或2n个层叠件的层叠件堆叠体内具有重复的轴向顺序,其中n为自然数。
66.根据权利要求46至65中的任一项所述的热力机,其中,所述堆叠体中的所述层叠件通过硬钎焊、软钎焊熔焊、扩散粘结、聚合物粘结中的一者或更多者结合在一起。
67.根据权利要求66所述的热力机,其中,至少一些层叠件组成部件在结合之前预电镀或包覆有软钎焊合金或硬钎焊合金,使得所述软钎焊合金或硬钎焊合金在层叠件结合过程期间形成所述层叠件部件之间的结合部。
68.根据权利要求66或权利要求67所述的热力机,其中,所述层叠件堆叠体为通过在所述结合过程期间施加轴向压力而形成的类型。
69.根据权利要求46至68中的任一项所述的热力机,其中,所述热交换器还包括位于一个或两个轴向端部处的轴向端板,所述轴向端板的厚度大于设置在所述热交换器的一个或两个轴向端部处的各单个组成层叠件部件的平均厚度。
70.根据权利要求69所述的热力机,其中,所述轴向端板与所述层叠件堆叠体之间的结构结合部为通过在所述结合过程期间向所述板和所述层叠件堆叠体施加轴向压力而形成的类型。
71.根据权利要求69或权利要求70所述的热力机,其中,所述热交换器构造成使得所述热交换器中的所述流体中的一种流体或两种流体穿过其中一个轴向端板或两个轴向端板。
72.根据权利要求53至71中的任一项所述的热力机,其中,所述热交换器还包括位于所述热交换器的外直径处的大致连续的周向的径向外壁和/或位于所述热交换器的内直径处的大致连续的周向的径向内壁。
73.根据权利要求72所述的热力机,其中,所述热交换器还包括径向轮辐部段,所述径向轮辐部段从分隔螺旋形的所述工作流体流动通道与螺旋形的所述传热流体流动通道的所述螺旋形壁的径向外端部延伸至所述层叠件堆叠体的封闭的圆筒形径向外壁和/或所述层叠件堆叠体的径向内壁。
74.根据权利要求46至73中的任一项所述的热力机,其中,所述热交换器还包括由高强度材料制成的抗张保持环,所述抗张保持环封围所述轴向端板和/或所述层叠件堆叠体的外半径。
75.根据权利要求74所述的热力机,其中,在使用时所述抗张保持环将预压载荷施加在所述层叠件堆叠体上。
76.根据权利要求74所述的热力机,其中,在使用时所述抗张保持环将预压载荷施加在所述轴向端板上。
77.根据权利要求74至76所述的热力机,其中,所述抗张保持环与所述层叠件堆叠体和/或所述轴向端板之间的结构连接为通过热收缩配合形成的类型。
78.根据权利要求46至77中的任一项所述的热力机,其中,由金属箔制成的所述轴向层由一种或更多种合金形成,为所述一种或更多种合金的主要组分。
79.根据权利要求46至77中的任一项所述的热力机,其中,由金属箔制成的所述轴向层由一种或更多种合金形成,、镍、钴或钼为所述一种或更多种合金的主要组分。
80.根据权利要求46至79中的任一项所述的热力机,其中,所述热交换器还包括轴向夹持结构,所述轴向夹持结构连接并构造成在使用时抵抗由金属箔制成的所述轴向层内的轴向压力载荷。
81.根据权利要求80所述的热力机,其中,所述轴向夹持结构为螺栓
82.根据权利要求80或权利要求81所述的热力机,其中,所述热交换器还包括拉伸载荷承载材料,所述拉伸载荷承载材料构造成承载螺旋形的所述流动通道的所述外径向界限之外的和/或螺旋形的所述流动通道的所述内径向界限之内的半径处的轴向拉伸载荷。
83.根据权利要求80至82中的任一项所述的热力机,其中,所述抗张保持环构造成至少部分地沿着所述抗张保持环的轴向长度传输拉伸载荷。
84.根据权利要求83所述的热力机,其中,所述抗张保持环由一种或更多种合金形成,铝或铜为所述一种或更多种合金的主要组分。
85.根据权利要求46至84中的任一项所述的热力机,其中,所述热交换器构造为逆流高温工作流体加热器,使用时高温加热流体大致径向向外地流动穿过所述逆流高温工作流体加热器,所述工作流体大致径向向内地流动穿过所述逆流高温工作流体加热器。
86.根据权利要求24至85中的任一项所述的热力机,还包括下述流体中的一者或更多者:冷却剂流体、温热传热流体、低温加热流体、和/或高温加热流体,这些流体中的每一者均包括钠和的混合物。
87.根据权利要求24至85中的任一项所述的热力机,还包括冷却剂流体和/或低温传热流体,这些流体中的每一者均包括含有盐的
88.根据权利要求24至85中的任一项所述的热力机,还包括下述流体中的一者或更多者:温热传热流体、低温传热流体、冷却剂流体、高温传热流体,这些流体主要包括水或主要包括醇或者包括水和醇的混合物。
89.根据权利要求24至85中的任一项所述的热力机,还包括低温传热流体,所述低温传热流体主要包括水或主要包括醇或者包括水和醇的混合物。
90.根据权利要求24至85中的任一项所述的热力机,其中,所述温热传热流体和/或所述低温传热流体为含有盐的水以抑制冻结温度。
91.根据权利要求20至85中的任一项所述的热力机,还包括高温加热流体,并且其中,所述高温加热流体的最大组成成分为水、醇、、锂、钠、钾、氢、氦中的一者。
92.根据权利要求1至91中的任一项所述的热力机,其中,所述热力机还包括一个或多个过滤器,所述一个或多个过滤器构造成用于在流体进入所述转子之前过滤进入所述转子的其中一种或更多种流体。
93.根据权利要求1至92中的任一项所述的热力机,还包括构造成使所述转子在使用时旋转的电动达。
94.根据权利要求93所述的热力机,其中,所述电动马达位于所述壳体内。
95.根据权利要求93或权利要求94所述的热力机,其中,所述电动马达为轴向磁通式的。
96.根据权利要求1至95中的任一项所述的热力机,其中,所述热力机还包括至少一个,各个泵适于将一种或多种流体供应至转子流体入口。
97.根据权利要求1至96中的任一项所述的热力机,还包括泵,所述泵构造成保持温热传热流体、或者低温传热流体、或者冷却剂流体、或者高温加热流体、或者任何所选的进入所述转子的流体在所述转子内的流体流动,所述泵整合到离开所述转子的流体出口中,使得在使用时转子的所述流体出口用作推进器,所述推进器相对于流体入口增大了流体的绕所述转子轴线在转子旋转方向上的角动量
98.根据权利要求97所述的热力机,还包括转子外加热器,所述转子外加热器位于所述壳体之外并且构造成温热所述低温传热流体。
99.根据权利要求97或权利要求98所述的热力机,还包括转子外冷却器,所述转子外冷却器位于所述壳体之外并且构造成冷却所述温热传热流体或所述冷却剂流体。
100.根据权利要求98或99所述的热力机,其中,所述低温传热流体和所述温热传热流体至所述外部热交换器的连接是可断开的并且是基本相同的,使得能够出于引导所述温热传热流体去温热并由此为所述低温传热流体的常规外部热交换器除霜的目的而切换所述连接。
101.根据权利要求22至100中的任一项所述的热力机,其中,所述辐射热源为安装在所述壳体内的辐射器。
102.根据权利要求101所述的热力机,其中,所述壳体至少部分地热绝缘以减少从所述辐射器和所述转子至所述壳体的热传递。
103.根据权利要求101或权利要求102所述的热力机,其中,所述辐射器由装有气体、或液体、或气体和液体的一个或更多个辐射器管形成,热能从所述气体、或液体、或气体和液体传递至所述辐射器管。
104.根据权利要求103所述的热力机,其中,所述辐射器管由金属形成。
105.根据权利要求103所述的热力机,其中,所述辐射器管至少部分地由陶瓷形成。
106.根据权利要求103至105中的任一项所述的热力机,其中,所述热力机还包括沸腾器,所述沸腾器流体连接至至少其中一个所述辐射器管,所述辐射器管通过使所述沸腾器中产生的气体冷凝而被加热。
107.根据权利要求106所述的热力机,其中,所述沸腾器定位成使得在使用时冷凝的液体在重力下排回至所述沸腾器。
108.根据权利要求103至107中的任一项所述的热力机,还包括以气态和/或液态的形式装在所述辐射器管中的锂或钠。
109.根据权利要求106至108中的任一项所述的热力机,其中,所述沸腾器通过多个不同类型的热源加热。
110.根据权利要求109所述的热力机,其中,所述多个热源中的至少两个热源是借助于化剂的燃料燃烧和集中的太阳辐射,所述借助于氧化剂的燃料燃烧和所述集中的太阳辐射中的每一者均能够单独地或同时地应用。
111.根据权利要求103至105中的任一项所述的热力机,其中,所述辐射器管构造成通过由燃料在空气中燃烧所产生的类型的燃烧气体来加热。
112.根据权利要求111所述的热力机,构造成使得在使用时燃料和空气以燃烧后产生从所述热力机排出的燃烧气体中的游离氧的含量按体积计低于5%的燃烧产物的比率在所述热力机内进行组合。
113.根据权利要求111所述的热力机,其中,燃料在空气流动通过所述辐射器管时在不同的顺序的区域中在所述辐射器管中与所述空气混合并燃烧。
114.根据权利要求111至113所述的热力机,还包括再生式热交换器或回热式热交换器,所述再生式热交换器或回热式热交换器使用来自从所述辐射器管排出的燃烧气体的热能来预热进入的空气,之后所述进入的空气与燃料燃烧以加热所述辐射器管。
115.根据权利要求111至114所述的热力机,还包括位于空气入口处的扇,所述风扇吹送空气和燃烧气体穿过所述辐射器管。
116.根据权利要求101至120中的任一项所述的热力机,其中,所述辐射接收器或者通过感应加热或者通过来自电加热的电阻元件的辐射加热来电加热。
117.根据权利要求101至116中的任一项所述的热力机,其中,所述热力机还包括所述转子壳体中的孔口,所述孔口构造成使得在使用时能够将太阳辐射引导到所述辐射接收器上。
118.根据权利要求117所述的热力机,其中,所述热力机还包括菲涅尔透镜,所述菲涅尔透镜构造成集中太阳辐射以便间接地加热所述高温工作流体加热器。
119.根据权利要求101至118中的任一项所述的热力机,其中,所述辐射接收器包括至少一个大体环形的辐射接收器区域,所述环形的辐射接收器区域从形成为所述转子的一部分的至少一个大体盘状的辐射接收器结构的一侧或两侧的周缘径向向内地延伸并向外基本上延伸至所述转子的最大半径,其中,所述盘状的辐射接收器结构的回转轴线与所述转子轴线一致。
120.根据权利要求119所述的热力机,其中,环形的辐射接收器区域从所述至少一个盘状的辐射接收器结构的两个轴向侧的周缘径向向内地延伸。
121.根据权利要求119或权利要求120所述的热力机,其中,每个盘状的辐射接收器结构是金属的。
122.根据权利要求119至121中的任一项所述的热力机,其中,所述高温工作流体加热器由在所述环形的辐射接收器区域的半径跨度内结合至所述盘状的辐射接收器结构或形成在所述盘状的辐射接收器结构内的多个工作流体流动通路形成。
123.根据权利要求119至122中的任一项所述的热力机,其中,所述工作流体循环路径至少部分地由结合至所述盘的多个工作流体流动通路形成。
124.根据权利要求119至123中的任一项所述的热力机,其中,所述工作流体循环路径至少部分地由在所述盘内的多个通路形成。
125.根据权利要求119至124中的任一项所述的热力机,其中,对于至少一个盘状的辐射接收器结构而言,多个工作流体流动通路设置成近于径向向外地延伸至所述环形的辐射接收器区域且绕所述转子轴线基本均匀地间隔开,并且具有交替的所述工作流体受到压缩的径向向外的流动和所述工作流体进行膨胀的径向向内的流动。
126.根据权利要求119至125中的任一项所述的热力机,其中,在所述环形的辐射接收器区域的半径跨度内,所述工作流体流动通路具有比在所述环形的辐射接收器区域的径向向内但在所述工作流体冷却器的径向向外处的所述工作流体流动通路的平均横截面流动面积小的平均横截面流动面积。
127.根据权利要求119至126中的任一项所述的热力机,其中,存在多个沿着所述转子轴向地成阵列排布的盘状的辐射接收器结构、位于每对轴向相邻的盘之间的附接至所述壳体的辐射器。
128.根据权利要求101至127中的任一项所述的热力机,其中,所述辐射器至少部分地由钼合金形成。
129.根据权利要求101至128中的任一项所述的热力机,其中,所述辐射接收器至少部分地由钼合金形成。
130.根据权利要求101至129中的任一项所述的热力机,其中,所述辐射器部分或全部地涂覆有辐射率比下层材料高的一个或多个涂层。
131.根据权利要求101至130中的任一项所述的热力机,其中,所述辐射接收器部分或全部地涂覆有吸收率比下层材料高的一个或多个涂层。
132.根据权利要求101至131中的任一项所述的热力机,其中,所述辐射接收器构造成使得至少两种不同的辐射热源能够单独地或同时地传送辐射热能。
133.根据权利要求93至132中的任一项所述的热力机,还包括压缩机,所述压缩机为所述转子内的动态压缩机。
134.根据权利要求133所述的热力机,其中,所述压缩机具有与所述转子轴线一致的旋转轴线。
135.根据权利要求134所述的热力机,其中,所述压缩机为离心式压缩机。
136.根据权利要求134所述的热力机,其中,所述压缩机为轴流式压缩机。
137.根据权利要求134至136中的任一项所述的热力机,其中,所述压缩机为多级压缩机。
138.根据权利要求134至137中的任一项所述的热力机,其中,所述压缩机与所述转子对转。
139.根据权利要求133至138中的任一项所述的热力机,其中,所述压缩机由所述转子内的压缩机马达电动驱动。
140.根据权利要求139所述的热力机,其中,所述压缩机马达结合有永磁体
141.根据权利要求133至140中的任一项所述的热力机,其中,旋转的所述转子与固定电源之间的感应旋转耦合器用于将电力传输至所述压缩机马达。
142.根据权利要求141所述的热力机,其中,施加至所述转子的总磁力约为零。
143.根据权利要求141或权利要求142所述的热力机,其中,所述感应旋转耦合器的时变磁通量穿过所述转子上的大致轴向的面传递。
144.根据权利要求141至143中的任一项所述的热力机,其中,所述感应旋转耦合器整合到用于驱动所述转子的旋转的转子电动马达中。
145.根据权利要求139至140中的任一项所述的热力机,其中,旋转的所述转子与固定电源或电载荷之间的旋转滑动接触电滑环用于将电力传输至所述压缩机马达。
146.根据权利要求139至140中的任一项所述的热力机,其中,旋转的所述转子与固定电载荷之间的液态金属旋转电耦合器用于将电力传输至所述压缩机马达。
147.根据权利要求146所述的热力机,其中,所述液态金属合金为含有镓的合金。
148.根据权利要求133至147中的任一项所述的热力机,其中,所述压缩机支承在至少一个磁轴承上。
149.根据权利要求133至148中的任一项所述的热力机,其中,所述压缩机支承在至少一个气体润滑的轴承上。
150.根据权利要求133至149中的任一项所述的热力机,其中,所述压缩机支承在至少一个陶瓷滚动元件轴承上。
151.根据权利要求150所述的热力机,其中,所述滚动元件轴承与所述工作流体部分或完全地密封隔离。
152.根据权利要求93至132中的任一项所述的热力机,还包括涡轮,所述涡轮为所述转子内的动态涡轮。
153.根据权利要求152所述的热力机,其中,所述涡轮具有与所述转子轴线一致的旋转轴线。
154.根据权利要求153所述的热力机,其中,所述涡轮为向心式涡轮。
155.根据权利要求153所述的热力机,其中,所述涡轮为轴流式涡轮。
156.根据权利要求153至155中的任一项所述的热力机,其中,所述涡轮为多级涡轮。
157.根据权利要求153至156中的任一项所述的热力机,其中,所述涡轮与所述转子对转。
158.根据权利要求152至157中的任一项所述的热力机,其中,所述涡轮为所述转子内的转子发电机提供动力以产生电力。
159.根据权利要求158所述的热力机,其中,所述涡轮发电机结合有永磁体。
160.根据权利要求152至159中的任一项所述的热力机,其中,旋转的所述转子与固定电源之间的感应旋转耦合器用于从所述涡轮发电机接收电力。
161.根据权利要求160所述的热力机,其中,施加至所述转子的总磁力约为零。
162.根据权利要求160或权利要求161所述的热力机,其中,所述感应旋转耦合器的时变磁通量穿过所述转子上的大致轴向的面传递。
163.根据权利要求160至162中的任一项所述的热力机,其中,所述感应旋转耦合器整合到用于驱动所述转子的旋转的转子电动马达中。
164.根据权利要求158至159中的任一项所述的热力机,其中,旋转的所述转子与固定电源或电载荷之间的旋转滑动接触电滑环用于从所述涡轮发电机接收电力。
165.根据权利要求158至159中的任一项所述的热力机,其中,旋转的所述转子与固定电源之间的液态金属旋转电耦合器用于从所述涡轮发电机接收电力。
166.根据权利要求165所述的热力机,其中,所述液态金属合金为含有镓的合金。
167.根据权利要求152至166中的任一项所述的热力机,其中,所述涡轮支承在至少一个磁轴承上。
168.根据权利要求152至167中的任一项所述的热力机,其中,所述涡轮支承在至少一个气体润滑的轴承上。
169.根据权利要求152至168中的任一项所述的热力机,其中,所述涡轮支承在至少一个陶瓷滚动元件轴承上。
170.根据权利要求169所述的热力机,其中,所述滚动元件轴承与所述工作流体部分或完全地密封隔离。
171.根据权利要求4至170中的任一项所述的热力机,还包括密封在所述转子与所述壳体之间进行密封的至少一个转子真空密封件,所述转子与邻近所述转子的最大半径的所述壳体之间的空间保持与所述壳体周围的环境大气部分或完全地流体隔离,一种或更多种传热流体经由所述转子真空密封件的中央部进入和离开所述转子。
172.根据权利要求171所述的热力机,还具有位于所述转子的两个轴向端部处的转子真空密封件。
173.根据权利要求172所述的热力机,其中,位于所述转子的各端部处的所述转子真空密封件的直径基本相同。
174.根据权利要求171至173中的任一项所述的热力机,其中,邻近所述一个或更多个转子真空密封件的高压侧保持的蒸气空间具有液体排出部,所述液体排出部构造成排出在使用时累积在该空间中的任何冷却剂流体或加热流体的液体。
175.根据权利要求174所述的热力机,其中,所述转子构造成使得流通到所述转子中的冷却剂流体或加热流体能够通过重力从紧邻所述转子真空密封件的所述空间排出。
176.根据权利要求174所述的热力机,还包括泵,并且其中,所述转子构造成使得流通到所述转子中的冷却剂流体或加热流体能够通过所述泵排出以保持与所述转子真空密封件相邻的蒸气填充空间。
177.根据权利要求171至176中的任一项所述的热力机,其中,在所述转子与所述转子壳体之间进行密封的所述一个或更多个转子真空密封件两端的压力差小于50%的大气压力,一种或多种冷却剂流体和/或加热流体经由所述一个或更多个转子真空密封件通过。
178.根据权利要求177所述的热力机,其中,流通到所述转子中以及从所述转子流出的流体中的一种或多种流体在所述转子外流体占据的流体连接的容积内具有自由表面,所述自由表面保持在大致低于大气压力的压力下和/或约等于该位置处的所述冷却剂流体或加热流体的蒸气压力的压力下。
179.根据权利要求171至178中的任一项所述的热力机,其中,至少一个转子真空密封件通过包括冷却剂流体、温热冷却剂流体、低温加热流体的列表中的一种或多种流体进行冷却。
180.根据权利要求171至179中的任一项所述的热力机,其中,所述至少一个旋转真空密封件是具有阻挡液体的阻挡液体密封件,所述阻挡液体在所述密封件的固定部件与旋转部件之间的滑动界面处提供气密密封,所述阻挡液体密封件为包括流体动压密封件、动态/排出/外驱密封件、磁性流体密封件、润滑的面密封件和润滑的聚合物唇形密封件的列表中的一者或更多者。
181.根据权利要求180所述的热力机,其中,所述阻挡液体密封件采用低蒸气压力阻挡流体。
182.根据权利要求171至181中的任一项所述的热力机,其中,至少一个旋转真空密封件为动态/排出/外驱密封件。
183.根据权利要求171至181中的任一项所述的热力机,其中,至少一个旋转真空密封件为磁性流体密封件。
184.根据权利要求183所述的热力机,其中,所述磁性流体密封件具有沿着所述密封件的轴向长度极性交替的多个磁性相反的磁极。
185.根据权利要求183或权利要求184所述的热力机,其中,所述磁性流体密封件与在高转子速度下提供密封的动态密封件组合。
186.根据权利要求4至185中的任一项所述的热力机,其中,所述壳体部分地填充有分子量比空气低的气体。
187.根据权利要求186所述的热力机,其中,所述气体主要为氢气、氦气、甲烷、蒸汽气中的一者。
188.根据权利要求186或187所述的热力机,其中,所述热力机还包括真空泵,所述真空泵连接至所述壳体以在使用时将所述壳体部分地抽真空。
189.根据权利要求188所述的热力机,其中,所述真空泵构造成在使用时间歇地操作以使真空压力保持在所需水平以下。
190.根据权利要求188或权利要求189所述的热力机,其中,所述真空泵构造成将气体从所述转子壳体内侧排放到在一个或两个转子真空密封件的高压侧进入和离开所述转子的流体中。
191.根据权利要求4至190中的任一项所述的热力机,其中,所述转子和流体路径构造成使得至少一种流体在不穿过旋转真空密封件的情况下进入和/或离开所述转子并且直接暴露于所述转子壳体内的气体压力。
192.根据权利要求191所述的热力机,其中,所述至少一种流体在其进入或离开所述转子时具有低于5000Pa的蒸气压力。
193.根据权利要求1至192中的任一项所述的热力机,其中,所述热力机还包括位于所述转子的单个轴向端部处的转子轴承。
194.根据权利要求1至192中的任一项所述的热力机,其中,所述热力机还包括位于所述转子的两个端部处的转子轴承。
195.根据权利要求193或权利要求194所述的热力机,其中,至少一个转子所述转子轴承为滚动元件轴承。
196.根据权利要求195所述的热力机,其中,所述滚动元件轴承中的滚动元件是陶瓷的。
197.根据权利要求193至196中的任一项所述的热力机,其中,至少一个所述转子轴承通过密封件阻挡液体或进入和离开所述转子的流体润滑。
198.根据权利要求193至197中的任一项所述的热力机,其中,至少一个所述转子轴承没有任何流体流动穿过内直径。
199.根据权利要求193至198中的任一项所述的热力机,其中,所述转子上的轴向载荷由位于所述转子的仅一个端部处的转子轴承对抗。
200.根据权利要求1至199中的任一项所述的热力机,其中,在使用时所述转子轴线对准成平行于施加至所述转子的合成的重力加速度和惯性加速度的方向。
201.根据权利要求1至200中的任一项所述的热力机,其中,所述转子轴承和/或所述转子轴承座具有低径向刚度,使得所述转子的最大旋转速度在使用时高于所述转子在低径向刚度的所述转子轴承和/或所述转子轴承座中的第一固有径向振荡频率
202.根据权利要求201所述的热力机,还包括一个或更多个自动平衡器,所述一个或更多个自动平衡器包括在以转子轴线为中心的环形腔内自由循环的滚动元件。
203.根据权利要求202所述的热力机,其中,所述自动平衡器构造成在使用时被动地重新分布所述自动平衡器滚动元件以使转子质心与所述转子轴线近距离对准。
204.根据权利要求1至203中的任一项所述的热力机,其中,所述工作流体循环路径至少在所述转子内是密封的。
205.一种基本如文中参照附图所描述的热力机。
206.一种陆地、或空中或海上交通工具,包括根据权力要求37至44中的任一项所述并构造成用于在所述交通工具内使用的热力机。

说明书全文

技术领域

[0001] 本发明涉及一种热力机。更具体地,本发明涉及一种具有转子的闭式循环发动机,转子旋转并且包含被密封在转子内并经受周期性热力学过程的作为工作流体的稀有气体或惰性气体。甚至更特别地在某些构型中转子在密封且抽真空的壳体内旋转且转子的一个端部或两个端部处具有端口,以允许冷却流体和加热流体经由转子流体端口、并且在一些构型中经由将流体与抽真空的壳体密封隔离的旋转真空密封件进入和离开转子。甚至更特别地,本发明涉及一种具有紧凑的径向螺旋式热交换器的闭式循环热泵或发动机。甚至更特别地,本发明涉及一种闭式循环热泵或发动机,其中,外部液体(冷却液流体和加热流体)在转子的相反端部处流通往来于转子以减少不必要的传导。

背景技术

[0002] 热泵利用输入能量来驱动热能从低温热源传输至高温散热器,从而冷却低温热源(充当冷却器)并加热高温散热器(充当加热器)。大多数常规的热泵利用由电动达或其它机械动力源驱动的压缩机来升高工作流体的压力和温度。然而,在吸收式热泵的情况下,利用吸收液体或固体的温度的变化来循环地吸收低压工作流体然后释放高压工作流体,从而通过非机械手段有效地泵送工作流体,但是通常效率低。同样地,VM(Vuilleumier)循环热泵利用高温热能输入来驱动低温热源与高温散热器之间的热泵循环,但由于在经济上执行起来困难,还没有得到广泛的应用。
[0003] 许多能耗用于家庭和工业加热和冷却。电是这些能量进行分配的常用媒介并且由于发电和配电成本而使电成为典型的高成本能源,这常使其成本数倍于从其它来源如地热、天然气、其它可燃燃料太阳能、核能或废热源获得的同等数量的热能的成本。因此,本发明的主要目标在于启用一种可利用比电便宜的能源的替代性加热和冷却的装置,并且另外提供一种可以由一些能源更经济地产生机械能或电能的方法,或者至少为公众提供一种有用的选择。
[0004] 呈热流体如发动机废气、冷却流体和其它热工业流体形式的废热流的规模经常很大,但利用不经济,利用这些能量的许多现有方法只能够利用相对较小比例的热能,从而在温度仍远高于环境温度的流体中留下大量的热能。因此,本发明的目标在于提供一种可利用废热流体流中的更大比例的热能以用于有用的目的的创新的热泵和发动机,或者至少为公众提供一种有用的选择。
[0005] 制冷和加热经常由循环地压缩和膨胀气态工作流体的热泵提供,其中,所述气态工作流体也被加热和冷却并且可以在热力循环的一个或多个部分经历相变。压缩过程和膨胀过程常常具有降低总效率的低效率。同样地,在发动机中,压缩过程和膨胀过程往往效率不高,从而降低发动机的效率。发动机和热泵中的工作流体的相变也可能提高能量损失。因此,本发明的目的在于提供通过利用高效的膨胀过程和压缩过程而具有相对较高效率的创新的热泵和发动机,以及部分地或完全地避免了工作流体的相变,或者至少为公众提供一种有用的选择。
[0006] 许多应用需要经常通过燃烧燃料或电加热提供的温度超过100℃的热源。由于与低效高温电驱动的热泵中使用的电相比加热燃料的价格更低,因此用于高温应用的热泵的使用是罕见的。因此,本发明的目的在于提供创新的热泵,该热泵可以利用高温热源或电作为能源输入来更经济地用于加热至超过100℃的温度,或至少为公众提供一种有用的选择。
[0007] 一些动力源是间歇性的、不可靠或规模不足而不能一直为所需容量的热泵供以动力。因此,本发明的目的在于提供一种创新的热泵,该热泵可利用多于一种的能量源来为其操作提供动力,或者至少为公众提供一种有用的选择。
[0008] 许多热泵循环的工作温度范围极大地依赖于所用的工作流体的临界温度。这可能限制热泵设计可以操作的温度范围。因此,本发明的目的在于提供一种创新的热泵设计,该热泵设计可以被修改以服务于宽的温度范围,或者至少为公众提供一种有用的选择。
[0009] 许多热泵需要辅助电热器来限制源于空气的积。因此,本发明的目的在于提供一种创新的热泵,其中,常压热交换器的除冰不需要使用辅助电加热器,或至少为公众提供有用的选择。
[0010] 斯特林循环发动机从热源产生机械动力,并且当由马达驱动时可作为低温冷却等应用中的热泵操作。VM循环是修改后的斯特林循环,其操作为由高温热能输入来提供动力的热泵。由于成本高、重量和体积大并且在某些情况下不可靠,因而迄今除了一些小众应用,斯特林循环和VM循环都没有被广泛应用。因此,本发明的目的在于为众多的应用领域提供效率比斯特林循环机和VM循环机高和/或成本比斯特林循环机和VM循环机低的创新的发动机和热泵,或者至少为公众提供一种有用的选择。
[0011] 许多发明人已经发现并创新出通过转子内的离心力利用气态工作流体的高效压缩和膨胀作为发动机和热泵内的热力学过程的想法。几个发明人还确定了使用氙气作为优选的工作流体并且一些发明人还确定了以近似最佳效率卡诺循环的理想等温过程的方式在工作流体正经历压缩或膨胀时冷却或加热工作流体的好处。另外,抽真空转子在其内旋转的壳体的益处已有记载。然而,这些发明人并没有教示用于实现基于假设高速转子中产生极高的离心应力的这些原则的机器的有效实用的手段。
[0012] 本发明的其它目的和优点将在本说明书的以下部分中给出,其中,详细描述是为了充分公开本发明的优选实施方式的目的,而不对本发明加以限制。
[0013] 背景技术的论述(包括任何可能的现有技术)不应被视为对公知常识的承认。

发明内容

[0014] 在第一方面中,本发明可以一般性地说成是在于一种热力机,其包括:转子,所述转子构造成在使用时绕转子轴线旋转,在所述转子内形成有工作流体循环路径和至少一个冷却剂流体路径,所述冷却剂流体路径与所述工作流体循环路径流体隔离,所述工作流体循环路径从所述转子轴线处或从所述转子轴线附近大致沿径向跨越至接近所述转子的周缘,工作流体循环驱动器,所述工作流体循环驱动器构造成驱动工作流体绕所述工作流体循环路径的循环;至少一个工作流体冷却器热交换器,所述至少一个工作流体冷却器热交换器形成为所述工作流体循环路径和所述冷却剂流体路径的一部分,并且构造成使得在使用时穿过所述工作流体冷却器热交换器的冷却剂流体极为接近所述工作流体从而使热从所述工作流体传递至所述冷却剂流体;至少一个工作流体加热器,所述至少一个工作流体加热器形成为所述转子内的所述工作流体循环路径的一部分并构造成加热绕所述工作流体循环路径循环的工作流体。
[0015] 优选地,所述热力机还包括主要由氙、氪或氩中的一者或更多者构成的工作流体。
[0016] 优选地,当在所述转子内的所述工作流体循环路径内在低于5MPa的最小压力下使用时所述工作流体为氙。
[0017] 优选地,所述热力机还包括壳体,所述转子至少部分地封装在所述壳体内。
[0018] 优选地,使用时,所述壳体相对于所述壳体外的大气部分地抽真空以减少所述壳体内的气体的密度
[0019] 优选地,所述工作流体路径构造成使得在使用时所述工作流体从所述转子轴线沿大致径向向外的方向流动穿过所述至少一个工作流体冷却器热交换器。
[0020] 优选地,所述工作流体路径构造成使得在使用时所述工作流体朝向所述转子轴线沿大致径向向内的方向流动穿过所述至少一个工作流体加热器。
[0021] 优选地,所述工作流体循环路径结合有至少一个形成为膨胀通路的部段,所述膨胀通路在径向跨度上延伸,并且所述工作流体经由所述膨胀通路从较大的半径流动至较小的半径。
[0022] 优选地,所述工作流体循环路径结合有多个膨胀通路部段,所述多个膨胀通路部段在径向跨度上延伸,所述工作流体在使用时并行地经由所述多个膨胀通路部段从较大的半径流动至较小的半径。
[0023] 优选地,所述膨胀通路关于所述转子轴线周向地分布。
[0024] 优选地,所述工作流体循环路径结合有形成为在径向跨度上延伸的压缩通路的至少一个部段,所述工作流体在使用时经由所述压缩通路从较小的半径流动至较大的半径。
[0025] 优选地,所述工作流体循环路径结合有多个压缩通路部段,所述多个压缩通路部段在径向跨度上延伸,所述工作流体在使用时并行地经由所述多个压缩通路部段从较小的半径流动至较大的半径。
[0026] 优选地,所述压缩通路关于所述转子轴线周向地分布。
[0027] 优选地,所述工作流体循环路径包括一个或更多个压缩通路,所述一个或更多个压缩通路构造成使得:在使用时随着所述工作流体大致径向向外地流动穿过所述一个或更多个压缩通路,所述工作流体经历大致绝热的压缩并且出入所述工作流体的热传递很少或没有。
[0028] 优选地,所述工作流体循环路径包括一个或更多个膨胀通路,所述一个或更多个膨胀通路构造成使得:在使用时随着所述工作流体大致径向向内地流动穿过所述一个或更多个膨胀通路,所述工作流体经历膨胀并且出入所述工作流体的热传递很少或没有。
[0029] 优选地,所述热力机还包括高温工作流体加热器,并且其中,所述工作流体循环路径至少部分地构造成用作用于所述工作流体的离心热虹吸管,使得在平均半径处在所述高温工作流体加热器内对绕所述工作流体循环路径循环的所述工作流体进行热能输入,所述平均半径比从所述工作流体提取相同的热能所在处的平均半径大。
[0030] 优选地,在所述转子的最外侧半径处或在所述转子的最外侧半径附近进行向所述工作流体的离心热虹吸热能输入。
[0031] 优选地,在所述高温工作流体加热器中进行向所述工作流体的离心热虹吸热能输入。
[0032] 优选地,所述高温工作流体加热器构造成主要通过在所述转子轴线处或在所述转子轴线附近进入和离开所述转子的高温加热流体来进行加热。
[0033] 优选地,所述高温工作流体加热器包括逆流高温工作流体加热器,所述逆流高温工作流体加热器具有工作流体路径和高温加热流体路径,所述逆流高温工作流体加热器构造成使得在使用时所述工作流体紧邻用于所述高温加热流体的进口离开所述逆流高温工作流体加热器。
[0034] 优选地,所述逆流高温工作流体加热器构造成使得离开所述逆流高温工作流体加热器的所述工作流体比离开所述逆流高温工作流体加热器的所述高温加热流体热。
[0035] 优选地,所述热力机还包括辐射接收器,所述辐射接收器构造成通过来自辐射热源的辐射热传递来接收热能,所述高温工作流体加热器通过来自所述辐射接收器的热传导被加热。
[0036] 优选地,所述高温工作流体加热器构造成使得添加至流经所述高温工作流体加热器的所述工作流体的大部分热能在所述工作流体从较大的半径流动至较小的半径的同时被添加。
[0037] 优选地,所述热力机构造成在使用时从低温传热流体吸收热能并将该热能传递至相对于所述低温传热流体处于更高温度的温热传热流体。
[0038] 优选地,所述至少一个工作流体加热器为低温工作流体加热器,所述低温工作流体加热器构造成使得在使用时流过所述低温工作流体加热器的工作流体将从流过所述低温工作流体加热器的低温传热流体吸收热能。
[0039] 优选地,所述至少一个工作流体冷却器构造成使得在使用时流过所述工作流体冷却器的工作流体会将热能传递至流过所述工作流体冷却器的为冷却剂流体的温热传热流体中。
[0040] 优选地,所述工作流体循环路径和所述冷却剂流体路径构造成使得在使用时所述低温传热流体和所述温热传热流体两者中的每一者均在所述转子轴线处或在所述转子轴线附近进入和离开所述转子。
[0041] 优选地,所述工作流体循环驱动器包括位于所述转子内的压缩机。
[0042] 优选地,所述工作流体循环路径构造成使得所述工作流体在使用时在有序的环路中以连续的方式在所述转子轴线处或在所述转子轴线附近流动穿过压缩机,径向向外地流动穿过一个或更多个压缩通路,径向向外流动穿过所述工作流体冷却器从而将热传递至所述温热传热流体,径向向内地流动穿过一个或更多个膨胀通路,径向向内地流动穿过所述低温工作流体加热器从而自所述低温传热流体吸收热能,然后流回到所述压缩机中。
[0043] 优选地,所述工作流体循环至少部分通过离心热虹吸驱动。
[0044] 优选地,所述转子内的所述工作流体循环路径构造成使得所述工作流体在使用时在有序的环路中以连续的方式从所述转子轴线处或从所述转子轴线附近径向向外地流动穿过一个或更多个压缩通路,在所述转子的最大半径处或在所述转子的最大半径附近流动穿过所述高温工作流体加热器,径向向内地流动穿过一个或更多个膨胀通路,径向向外流动穿过所述工作流体冷却器从而将热传递至所述温热传热流体,径向向内地流动穿过一个或更多个膨胀通路,径向向内地流动穿过所述低温工作流体加热器从而自所述低温传热流体吸收热能,然后流回到所述压缩通路的径向内端部中。
[0045] 替代性地,所述转子内的所述工作流体循环路径构造成使得所述工作流体在使用时在有序的环路中以连续的方式从所述转子轴线处或从所述转子轴线附近径向向外地流动穿过一个或更多个压缩通路,径向向外地流动穿过第一工作流体冷却器从而将热传递至所述温热传热流体,径向向外地流动穿过一个或更多个压缩通路,在所述转子的最大半径处或在所述转子的最大半径附近流动穿过所述高温工作流体加热器,径向向内地流动穿过一个或更多个膨胀通路,径向向外地流动穿过第二工作流体冷却器从而将热传递至所述温热传热流体,径向向内地流动穿过一个或更多个膨胀通路,径向向内地流动穿过所述低温工作流体加热器从而自所述低温传热流体吸收热能,然后流回到所述压缩通路的径向内端部中。
[0046] 替代性地,所述转子内的所述工作流体循环路径构造成使得所述工作流体在使用时在有序的环路中以连续的方式从所述转子轴线处或从所述转子轴线附近径向向外地流动穿过一个或更多个压缩通路,径向向外地流动穿过第一工作流体冷却器从而将热传递至所述温热传热流体,在所述转子的最大半径处或在所述转子的最大半径附近流动穿过所述高温工作流体加热器,径向向内地流动穿过一个或更多个膨胀通路,径向向内地流动穿过所述低温工作流体加热器从而自所述低温传热流体吸收热能,然后流回到所述压缩通路的径向内端部中。
[0047] 优选地,所述热力机还包括位于所述转子内的所述工作流体循环路径中的紧随所述低温工作流体加热器之后的压缩机,所述压缩机能够操作成至少部分地驱动所述工作流体的循环。
[0048] 优选地,所述温热传热流体在与所述低温传热流体相反的端部处进入和离开所述转子。
[0049] 优选地,所述冷却剂流体在使用时保持在100℃以上的温度。
[0050] 优选地,所述热力机适于作为发动机操作。
[0051] 优选地,所述高温工作流体加热器的外径向界限位于所述转子的周缘处或位于所述转子的周缘附近,并且所述工作流体冷却器的内径向界限定位成比所述高温工作流体加热器的内径向界限更靠近所述转子轴线,使得所述工作流体在所述转子内通过工作流体离心热虹吸驱动。
[0052] 优选地,所述热力机还包括位于所述转子轴线处或位于所述转子轴线附近的涡轮,所述涡轮构造成从循环的所述工作流体中产生的压力增益吸取动力。
[0053] 优选地,所述工作流体循环路径构造成使得在使用时所述工作流体在有序的环路中以连续的方式流动穿过位于所述转子轴线处或位于所述转子轴线附近的涡轮,径向向外地流动穿过所述工作流体冷却器从而将热传递至所述冷却剂流体,径向向外地流动穿过一个或更多个压缩通路,在所述转子的最大半径处或在所述转子的最大半径附近流动穿过所述高温工作流体加热器,径向向内地流动穿过一个或更多个膨胀通路,然后流回到所述涡轮中。
[0054] 优选地,所述工作流体循环路径构造成使得在使用时所述工作流体在有序的环路中以连续的方式流动穿过位于所述转子轴线处或位于所述转子轴线附近的涡轮,径向向外地流动穿过所述工作流体冷却器从而将热传递至所述冷却剂流体,在所述转子的最大半径处或在所述转子的最大半径附近流动穿过所述高温工作流体加热器,径向向内地流动穿过一个或更多个膨胀通路,然后流回到所述涡轮中。
[0055] 优选地,所述热力机构造成使得在使用时从所述涡轮流出的所述工作流体的温度处于冷却剂流体温度在50开氏度内的温度下。
[0056] 优选地,所述流体路径构造成使得在使用时所述高温加热流体和所述冷却剂流体在相反两端部处或在相反两侧进入和离开所述转子。
[0057] 优选地,所述热力机还包括至少一个储存器,所述至少一个储存器用于所述高温加热流体、所述温热传热流体、所述低温传热流体中的一者或更多者,所述储存器位于所述转子外。
[0058] 优选地,所述工作流体循环路径包括一个或更多个径向面向内的工作流体冷凝物回转收集腔,所述工作流体冷凝物回转收集腔在所述转子内的最冷的热交换器的外半径处或接近所述转子内的最冷的热交换器的外半径围绕所述转子轴线布置,冷凝的工作流体能够积聚在所述工作流体冷凝物回转收集腔中。
[0059] 优选地,所述一个或更多个热交换器具有绕所述转子轴线的环形回转体的总体形式,由具有大致螺旋形的总体形式的多个并行流动的工作流体流动通道穿透所述环形回转体,所述多个并行流动的工作流体流动通道通过散热片轴向地分隔并且通过以所述转子轴线为中心的螺旋形壁周向地分隔,所述螺旋形壁连接所述热交换器的内径向表面与外径向表面并且周向地且轴向地成阵列排布在所述热交换器内。
[0060] 优选地,所述一个或更多个热交换器内的所述工作流体流动通道至少部分地由结合在一起成整体的轴向多层金属箔组成部件形成。
[0061] 优选地,所述轴向多层金属箔组成部件通过对存在于所述热交换器的至少其中一些所述金属箔组成部件上的表面涂层合金进行硬钎焊而结合。
[0062] 优选地,所述一个或更多个热交换器内的所述工作流体流动通道形成为通过多个螺旋形指状部分隔的轴向相邻的环形盘之间的空间,所述多个螺旋形指状部基本上均匀地绕所述转子轴线成阵列排布并且在所有轴向层之间轴向地对准而提供平行于所述转子轴线的连续的轴向材料柱,所述轴向材料柱具有轴向螺旋形柱的总体形式。
[0063] 优选地,所述至少一个热交换器内的所述工作流体流动通道形成为轴向多层大致呈圆形阵列的基本上相同的螺旋形区段之间的空间,所述大致相同的螺旋形区段绕所述转子轴线以恒定的弧形均匀地间隔而形成圆形阵列,相邻的圆形阵列绕所述转子轴线成角度地偏置以沿其横向螺旋形边缘形成一致的搭接部,相继的圆形阵列之间的搭接部轴向地对准而提供平行于所述转子轴线的连续的轴向材料柱,所述轴向材料柱具有轴向螺旋形柱的总体形式。
[0064] 优选地,所述热交换器还具有轴向地穿通所述轴向螺旋形柱的多个轴向流体管,所述多个轴向流体管平行于旋转轴线排列并且构造成允许流体从中穿过以实现自以及至所述工作流体的热传递。
[0065] 优选地,所述热交换器的所述轴向流体管的内表面通过包括下述过程的列表中的一个或更多个过程来密封防止流体泄漏:将更小的管插入并结合在所述轴向流体管内、金属层、熔合焊接或硬钎焊、涂敷聚合物密封剂
[0066] 优选地,所述热交换器形成绕所述转子轴线的大致环形的本体,所述热交换器内的所述工作流体循环路径构造成使得所述工作流体同时径向向内或径向向外地流动穿过多个工作流体流动通道,每个通道均成形为从所述转子轴线向外呈螺旋形行进,螺旋形的所述工作流体流动通道周向地且轴向地成阵列排布。
[0067] 优选地,螺旋形的所述通道的横截面面积随半径增大而减小。
[0068] 优选地,所述热交换器还包括成形为从所述转子轴线向外呈螺旋形行进的多个冷却剂流体通道和/或加热流体通道,所述冷却剂流体通道或所述加热流体通道周向地且轴向地成阵列排布,使得所述冷却剂流体或所述加热流体同时以与所述工作流体流体隔离的方式径向向内或径向向外地流动穿过多个螺旋形通道。
[0069] 优选地,在使用时冷却剂流体和工作流体径向向外地流动穿过它们各自的热交换器螺旋形通道。
[0070] 替代性地,在使用时加热流体在工作流体径向向内流动的同时径向向外地流动穿过所述热交换器,各流体分别流动穿过它们各自的热交换器螺旋形通道。
[0071] 优选地,所述流动通道和/或所述轴向流动管构造成使得在操作中流动穿过所述-1热交换器的一种流体或两种流体以层流和/或低于2m.s 的通道或管内平均总体流速流动。
[0072] 优选地,每种流体的螺旋形的所述流动通道轴向地成阵列排布而形成同一流体从中流动穿过的多个通道的轴向螺旋形柱,该柱大致平行于所述转子轴线对准,所述热交换器还包括多个散热片,所述多个散热片大致垂直于所述转子轴线对准并在所述热交换器中定位成分隔轴向相邻的螺旋形流动通道。
[0073] 优选地,每种流体的螺旋形的所述流动通道轴向地成阵列排布而形成同一流体从中流动穿过的多个通道的轴向螺旋形柱,该柱绕所述转子轴线螺旋地盘绕,所述热交换器还包括多个散热片,所述多个散热片大致垂直于所述转子轴线对准并在所述热交换器中定位成分隔轴向相邻的螺旋形流动通道。
[0074] 优选地,周向相邻的螺旋形流动通道柱在传送工作流体与传送冷却剂流体或加热流体之间交替。
[0075] 优选地,所述热力机还包括轴向连接通路,所述轴向连接通路位于螺旋形的所述流动通道的径向内端部和/或径向外端部处以分布去往轴向相邻的螺旋形的流动通道的流体流或收集离开轴向相邻的螺旋形的流动通道的流体流。
[0076] 优选地,所述热交换器的螺旋形的通道由大体环形轮廓的层叠件的轴向堆叠体形成,所述层叠件具有穿通所述层叠件切割出的和/或切入一个或两个轴向面中的穿孔和/或其它结构,所述层叠件轴向地堆叠并且结合在一起成为实心的大体环形或圆筒形的体,使得所述穿孔和/或结构形成所述热交换器层叠件堆叠体内的用于工作流体和冷却剂流体或加热流体的内部流体流动通路。
[0077] 优选地,所述热交换器构造成使得用于其中一种流体的在轴向方向上的散热片的数目大于用于另一种流体的在轴向方向上的散热片的数目。
[0078] 优选地,使用多达四种不同层叠件类型以形成所述层叠件堆叠体,所述层叠件堆叠成使得所述堆叠体在具有1个层叠件或2n个层叠件的层叠件堆叠体内具有重复的轴向顺序,其中n为自然数。
[0079] 优选地,所述堆叠体中的所述层叠件通过硬钎焊、软钎焊熔焊、扩散粘结、聚合物粘结中的一者或更多者结合在一起。
[0080] 优选地,至少一些层叠件组成部件在结合之前预电镀或包覆有软钎焊合金或硬钎焊合金,使得所述软钎焊合金或硬钎焊合金在层叠件结合过程期间形成所述层叠件部件之间的结合部。
[0081] 优选地,所述层叠件堆叠体为通过在所述结合过程期间施加轴向压力而形成的类型。
[0082] 优选地,所述热交换器还包括位于一个或两个轴向端部处的轴向端板,所述轴向端板的厚度大于设置在所述热交换器的一个或两个轴向端部处的各单个组成层叠件部件的平均厚度。
[0083] 优选地,所述轴向端板与所述层叠件堆叠体之间的结构结合部为通过在所述结合过程期间向所述板和所述层叠件堆叠体施加轴向压力而形成的类型。
[0084] 优选地,所述热交换器构造成使得所述热交换器中的所述流体中的一种流体穿过或两种流体都穿过其中一个轴向端板或两个轴向端板。
[0085] 优选地,所述热交换器还包括位于所述热交换器的外直径处的大致连续的周向的径向外壁和/或位于所述热交换器的内直径处的大致连续的周向的径向内壁。
[0086] 优选地,所述热交换器还包括径向轮辐部段,所述径向轮辐部段从分隔螺旋形的所述工作流体流动通道与螺旋形的所述传热流体流动通道的所述螺旋形壁的径向外端部延伸至所述层叠件堆叠体的封闭的圆筒形径向外壁和/或所述层叠件堆叠体的径向内壁。
[0087] 优选地,所述热交换器还包括由高强度材料制成的抗张保持环,所述抗张保持环封围所述轴向端板和/或所述层叠件堆叠体的外半径。
[0088] 优选地,在使用时所述抗张保持环将预压载荷施加在所述层叠件堆叠体上。
[0089] 替代性地,在使用时所述抗张保持环将预压载荷施加在所述轴向端板上。
[0090] 优选地,所述抗张保持环与所述层叠件堆叠体和/或所述轴向端板之间的结构连接为通过热收缩配合形成的类型。
[0091] 优选地,由金属箔制成的所述轴向层由一种或更多种合金形成,为所述一种或更多种合金的主要组分。
[0092] 替代性地,由金属箔制成的所述轴向层由一种或更多种合金形成,、镍、钴或钼为所述一种或更多种合金的主要组分。
[0093] 优选地,所述热交换器还包括轴向夹持结构,所述轴向夹持结构连接并构造成在使用时抵抗由金属箔制成的所述轴向层内的轴向压力载荷。
[0094] 优选地,所述轴向夹持结构为螺栓
[0095] 优选地,所述热交换器还包括拉伸载荷承载材料,所述拉伸载荷承载材料构造成承载螺旋形的所述流动通道的所述外径向界限之外和/或螺旋形的所述流动通道的所述内径向界限之内的半径处的轴向拉伸载荷。
[0096] 优选地,所述抗张保持环构造成至少部分地沿着所述抗张保持环的轴向长度传输拉伸载荷。
[0097] 优选地,所述抗张保持环由一种或更多种合金形成,铝或铜为所述一种或更多种合金的主要组分。
[0098] 优选地,所述热交换器构造为逆流高温工作流体加热器,使用时高温加热流体大致径向向外地流动穿过所述逆流高温工作流体加热器,所述工作流体大致径向向内地流动穿过所述逆流高温工作流体加热器。
[0099] 优选地,所述热力机还包括下述流体中的一者或更多者:冷却剂流体、温热传热流体、低温加热流体、和/或高温加热流体,这些流体中的每一者均包括钠和的混合物。
[0100] 优选地,所述热力机还包括冷却剂流体和/或低温传热流体,这些流体中的每一者均包括含有盐的
[0101] 优选地,所述热力机还包括下述流体中的一者或更多者:温热传热流体、低温传热流体、冷却剂流体、高温传热流体,这些流体主要包括水或主要包括醇或者包括水和醇的混合物。
[0102] 优选地,所述热力机还包括低温传热流体,所述低温传热流体主要包括水或主要包括醇或者包括水和醇的混合物。
[0103] 优选地,所述温热传热流体和/或所述低温传热流体为含有盐的水以抑制冻结温度。
[0104] 优选地,所述热力机还包括高温加热流体,并且其中,所述高温加热流体的最大组成成分为水、醇、、锂、钠、钾、氢、氦中的一者。
[0105] 优选地,所述热力机还包括一个或多个过滤器,所述一个或多个过滤器构造成用于在流体进入所述转子之前过滤进入所述转子的其中一种或更多种流体。
[0106] 优选地,所述热力机还包括构造成使所述转子在使用时旋转的电动马达。
[0107] 优选地,所述电动马达位于所述壳体内。
[0108] 优选地,所述电动马达为轴向磁通式的。
[0109] 优选地,所述热力机还包括至少一个泵,各个泵适于将一种或多种流体供应至转子流体入口。
[0110] 优选地,所述热力机还包括泵,所述泵构造成保持温热传热流体、或者低温传热流体、或者冷却剂流体、或者高温加热流体、或者任何所选的进入所述转子的流体在所述转子内的流体流动,所述泵整合到离开所述转子的流体出口中,使得在使用时转子的所述流体出口用作推进器(impeller),所述推进器相对于流体入口增大了流体的绕所述转子轴线在转子旋转方向上的角动量
[0111] 优选地,所述热力机还包括转子外加热器,所述转子外加热器位于所述壳体之外并且构造成温热所述低温传热流体。
[0112] 优选地,所述热力机还包括转子外冷却器,所述转子外冷却器位于所述壳体之外并且构造成冷却所述温热传热流体或所述冷却剂流体。
[0113] 优选地,所述低温传热流体和所述温热传热流体至所述外部热交换器的连接是可断开的并且是基本相同的,使得能够出于引导所述温热传热流体去温热并由此为所述低温传热流体的常规外部热交换器除霜的目的而切换所述连接。
[0114] 优选地,所述辐射热源为安装在所述壳体内的辐射器。
[0115] 优选地,所述壳体至少部分地热绝缘以减少从所述辐射器和所述转子至所述壳体的热传递。
[0116] 优选地,所述辐射器由装有气体、或液体、或气体和液体的一个或更多个辐射器管形成,热能从所述气体、或液体、或气体和液体传递至所述辐射器管。
[0117] 优选地,所述辐射器管由金属形成。
[0118] 替代性地,所述辐射器管至少部分地由陶瓷形成。
[0119] 优选地,所述热力机还包括沸腾器,所述沸腾器流体连接至至少其中一个所述辐射器管,所述辐射器管通过使所述沸腾器中产生的气体冷凝而被加热。
[0120] 优选地,所述沸腾器定位成使得在使用时冷凝的液体在重力下排回至所述沸腾器。
[0121] 优选地,所述热力机还包括以气态和/或液态的形式装在所述辐射器管中的锂或钠。
[0122] 优选地,所述沸腾器通过多个不同类型的热源加热。
[0123] 优选地,所述多个热源中的至少两个热源是借助于化剂的燃料燃烧和集中的太阳辐射,所述借助于氧化剂的燃料燃烧和所述集中的太阳辐射中的每一者均能够单独地或同时地应用。
[0124] 优选地,所述辐射器管构造成通过由燃料在空气中燃烧所产生的类型的燃烧气体来加热。
[0125] 优选地,所述热力机构造成使得在使用时燃料和空气以燃烧后产生从所述热力机排出的燃烧气体中的游离氧的含量按体积计低于5%的燃烧产物的比率在所述热力机内进行组合。
[0126] 优选地,燃料在空气流动通过所述辐射器管时在不同的顺序的区域中在所述辐射器管中与所述空气混合并燃烧。
[0127] 优选地,还包括再生式热交换器或回热式热交换器,所述再生式热交换器或回热式热交换器使用来自从所述辐射器管排出的燃烧气体的热能来预热进入的空气,之后所述进入的空气与燃料燃烧以加热所述辐射器管。
[0128] 优选地,所述热力机还包括位于空气入口处的扇,所述风扇吹送空气和燃烧气体穿过所述辐射器管。
[0129] 优选地,所述辐射接收器或者通过感应加热或者通过来自电加热的电阻元件的辐射加热来电加热。
[0130] 优选地,所述热力机还包括所述转子壳体中的孔口,所述孔口构造成使得在使用时能够将太阳辐射引导到所述辐射接收器上。
[0131] 优选地,所述热力机还包括菲涅尔透镜,所述菲涅尔透镜构造成集中太阳辐射以便间接地加热所述高温工作流体加热器。
[0132] 优选地,所述辐射接收器包括至少一个大体环形的辐射接收器区域,所述环形的辐射接收器区域从形成为所述转子的一部分的至少一个大体盘状的辐射接收器结构的一侧或两侧的周缘径向向内地延伸而向外基本上延伸至所述转子的最大半径,其中,所述盘状的辐射接收器结构的回转轴线与所述转子轴线一致。
[0133] 优选地,环形的辐射接收器区域从所述至少一个盘状的辐射接收器结构的两个轴向侧的周缘径向向内地延伸。
[0134] 优选地,每个盘状的辐射接收器结构是金属的。
[0135] 优选地,所述高温工作流体加热器由在所述环形的辐射接收器区域的半径跨度内结合至所述盘状的辐射接收器结构或形成在所述盘状的辐射接收器结构内的多个工作流体流动通路形成。
[0136] 优选地,所述工作流体循环路径至少部分地由结合至所述盘的多个工作流体流动通路形成。
[0137] 优选地,所述工作流体循环路径至少部分地由在所述盘内的多个通路形成。
[0138] 优选地,对于至少一个盘状的辐射接收器结构而言,多个工作流体流动通路设置成近于径向向外地延伸至所述环形的辐射接收器区域且绕所述转子轴线基本均匀地间隔开,并且具有交替的所述工作流体受到压缩的径向向外的流动和所述工作流体进行膨胀的径向向内的流动。
[0139] 优选地,在所述环形的辐射接收器区域的半径跨度内,所述工作流体流动通路具有比在所述环形的辐射接收器区域的径向向内但在所述工作流体冷却器的径向向外处的所述工作流体流动通路的平均横截面流动面积小的平均横截面流动面积。
[0140] 优选地,存在多个沿着所述转子轴向地成阵列排布的盘状的辐射接收器结构、位于每对轴向相邻的盘之间的附接至所述壳体的辐射器。
[0141] 优选地,所述辐射器至少部分地由钼合金形成。
[0142] 优选地,所述辐射接收器至少部分地由钼合金形成。
[0143] 优选地,所述辐射器部分或全部地涂覆有辐射率比下层材料高的一个或多个涂层。
[0144] 优选地,所述辐射接收器部分或全部地涂覆有吸收率比下层材料高的一个或多个涂层。
[0145] 优选地,所述辐射接收器构造成使得至少两种不同的辐射热源能够单独地或同时地传送辐射热能。
[0146] 优选地,所述热力机还包括压缩机,所述压缩机为所述转子内的动态压缩机。
[0147] 优选地,所述压缩机具有与所述转子轴线一致的旋转轴线。
[0148] 优选地,所述压缩机为离心式压缩机。
[0149] 替代性地,所述压缩机为轴流式压缩机。
[0150] 优选地,所述压缩机为多级压缩机。
[0151] 优选地,所述压缩机与所述转子对转。
[0152] 优选地,所述压缩机由所述转子内的压缩机马达电动驱动。
[0153] 优选地,所述压缩机马达结合有永磁体
[0154] 优选地,所述旋转转子与固定电源之间的感应旋转耦合器用于将电力传输至所述压缩机马达。
[0155] 优选地,施加至所述转子的总磁力约为零。
[0156] 优选地,所述感应旋转耦合器的时变磁通量穿过所述转子上的大致轴向的面传递。
[0157] 优选地,所述感应旋转耦合器整合到用于驱动所述转子的旋转的转子电动马达中。
[0158] 优选地,所述旋转转子与固定电源或电载荷之间的旋转滑动接触电滑环用于将电力传输至所述压缩机马达。
[0159] 替代性地,所述旋转转子与固定电载荷之间的液态金属旋转电耦合器用于将电力传输至所述压缩机马达。
[0160] 优选地,所述液态金属合金为含有镓的合金。
[0161] 优选地,所述压缩机支承在至少一个磁轴承上。
[0162] 替代性地,所述压缩机支承在至少一个气体润滑的轴承上。
[0163] 替代性地,所述压缩机支承在至少一个陶瓷滚动元件轴承上。
[0164] 优选地,所述滚动元件轴承与所述工作流体部分或完全地密封隔离。
[0165] 优选地,所述热力机还包括涡轮,所述涡轮为所述转子内的动态涡轮。
[0166] 优选地,所述涡轮具有与所述转子轴线一致的旋转轴线。
[0167] 优选地,所述涡轮为向心式涡轮。
[0168] 替代性地,所述涡轮为轴流式涡轮。
[0169] 优选地,所述涡轮为多级涡轮。
[0170] 优选地,所述涡轮与所述转子对转。
[0171] 优选地,所述涡轮为所述转子内的转子发电机提供动力以产生电力。
[0172] 优选地,所述涡轮发电机结合有永磁体。
[0173] 优选地,所述旋转转子与固定电源之间的感应旋转耦合器用于从所述涡轮发电机接收电力。
[0174] 优选地,施加至所述转子的总磁力约为零。
[0175] 优选地,所述感应旋转耦合器的时变磁通量穿过所述转子上的大致轴向的面传递。
[0176] 优选地,所述感应旋转耦合器整合到用于驱动所述转子的旋转的转子电动马达中。
[0177] 替代性地,所述旋转转子与固定电源或电载荷之间的旋转滑动接触电滑环用于从所述涡轮发电机接收电力。
[0178] 替代性地,所述旋转转子与固定电源之间的液态金属旋转电耦合器用于从所述涡轮发电机接收电力。
[0179] 优选地,所述液态金属合金为含有镓的合金。
[0180] 优选地,所述涡轮支承在至少一个磁轴承上。
[0181] 替代性地,所述涡轮支承在至少一个气体润滑的轴承上。
[0182] 优选地,所述涡轮支承在至少一个陶瓷滚动元件轴承上。
[0183] 优选地,所述滚动元件轴承与所述工作流体部分或完全地密封隔离。
[0184] 优选地,所述热力机还包括密封在所述转子与所述壳体之间进行密封的至少一个转子真空密封件,所述转子与邻近所述转子的最大半径的所述壳体之间的空间保持与所述壳体周围的环境大气部分或完全地流体隔离,一种或更多种传热流体经由所述转子真空密封件的中央部进入和离开所述转子。
[0185] 优选地,所述热力机还包括位于所述转子的两个轴向端部处的转子真空密封件。
[0186] 优选地,位于所述转子的各端部处的所述转子真空密封件的直径基本相同。
[0187] 优选地,邻近所述一个或更多个转子真空密封件的高压侧保持的蒸气空间具有液体排出部,所述液体排出部构造成排出在使用时累积在该空间中的任何冷却剂流体或加热流体的液体。
[0188] 优选地,所述转子构造成使得流通到所述转子中的冷却剂流体或加热流体能够通过重力从紧邻所述转子真空密封件的空间排出。
[0189] 优选地,所述热力机还包括泵,并且其中,所述转子构造成使得流通到所述转子中的冷却剂流体或加热流体能够通过所述泵排出以保持与所述转子真空密封件相邻的蒸气填充的所述空间。
[0190] 优选地,在所述转子与所述转子壳体之间进行密封的所述一个或更多个转子真空密封件两端的压力差小于50%的大气压力,一种或多种冷却剂流体和/或加热流体经由所述一个或更多个转子真空密封件通过。
[0191] 优选地,流通到所述转子中以及从所述转子流出的流体中的一种或多种流体在所述转子外流体占据的流体连接的容积内具有自由表面,所述自由表面保持在大致低于大气压力的压力下和/或约等于所述位置处的所述冷却剂流体或加热流体的蒸气压力的压力下。
[0192] 优选地,至少一个转子真空密封件通过包括冷却剂流体、温热冷却剂流体、低温加热流体的列表中的一种或多种流体进行冷却。
[0193] 优选地,所述至少一个旋转真空密封件是具有阻挡液体的阻挡液体密封件,所述阻挡液体在所述密封件的固定部件与旋转部件之间的滑动界面处提供气密密封,所述阻挡液体密封件为包括流体动压密封件、动态/排出(expeller)/外驱(repeller)密封件、磁性流体密封件、润滑的面密封件和润滑的聚合物唇形密封件的列表中的一者或更多者。
[0194] 优选地,所述阻挡液体密封件采用低蒸气压力阻挡流体。
[0195] 优选地,至少一个旋转真空密封件为动态/排出/外驱密封件。
[0196] 替代性地,至少一个旋转真空密封件为磁性流体密封件。
[0197] 优选地,所述磁性流体密封件具有沿着所述密封件的轴向长度极性交替的多个磁性相反的磁极。
[0198] 优选地,所述磁性流体密封件与在高转子速度下提供密封的动态密封件组合。
[0199] 优选地,所述壳体部分地填充有分子量比空气低的气体。
[0200] 优选地,所述气体主要为氢气、氦气、甲烷、蒸汽气中的一者。
[0201] 优选地,所述热力机还包括真空泵,所述真空泵连接至所述壳体以在使用时将所述壳体部分地抽真空。
[0202] 优选地,所述真空泵构造成在使用时间歇地操作以使真空压力保持在所需水平以下。
[0203] 优选地,所述真空泵构造成将气体从所述转子壳体内侧排放到在一个或两个转子真空密封件的高压侧进入和离开所述转子的流体中。
[0204] 优选地,所述转子和流体路径构造成使得至少一种流体在不穿过旋转真空密封件的情况下进入和/或离开所述转子并且直接暴露于所述转子壳体内的气体压力。
[0205] 优选地,所述至少一种流体在其进入或离开所述转子时具有低于5000Pa的蒸气压力。
[0206] 优选地,所述热力机还包括位于所述转子的单个轴向端部处的转子轴承。
[0207] 优选地,所述热力机还包括位于所述转子的两个端部处的转子轴承。
[0208] 优选地,至少一个转子所述转子轴承为滚动元件轴承。
[0209] 优选地,所述滚动元件轴承中的滚动元件是陶瓷的。
[0210] 优选地,至少一个所述转子轴承通过密封件阻挡液体或进入和离开所述转子的流体润滑。
[0211] 优选地,至少一个所述转子轴承没有任何流体流动穿过内直径。
[0212] 优选地,所述转子上的轴向载荷由位于所述转子的仅一个端部处的转子轴承对抗。
[0213] 优选地,在使用时所述转子轴线对准成平行于施加至所述转子的合成的重力加速度和惯性加速度的方向。
[0214] 优选地,所述转子轴承和/或所述转子轴承座具有低径向刚度,使得所述转子的最大旋转速度在使用时高于所述转子在低径向刚度的所述转子轴承和/或所述转子轴承座中的第一固有径向振荡频率
[0215] 优选地,所述热力机还包括一个或更多个自动平衡器,所述一个或更多个自动平衡器包括在以转子轴线为中心的环形腔内自由循环的滚动元件。
[0216] 优选地,所述自动平衡器构造成在使用时被动地重新分布所述自动平衡器滚动元件以使转子质心与所述转子轴线近距离对准。
[0217] 优选地,所述工作流体循环路径至少在所述转子内是密封的。
[0218] 在第二方面中,本发明可以一般性地说成是在于一种陆地、或空中或海上交通工具,其包括在一项或多项前述说明中概括并构造成用于在所述交通工具内使用的热力机。附图说明
[0219] 现在将参照附图仅作为示例来描述本发明的实施方式,在附图中:
[0220] 图1示出了本发明的热力机的优选实施方式的剖切截面图,该热力机构造为热泵并由电动压缩机驱动,转子从右侧观察时沿逆时针方向绕转子轴线以转子角速度旋转并且支承在高温端转子轴承和低温端转子轴承上,高温端转子轴承和低温端转子轴承各自安装在具有相对较低的径向刚度的径向柔顺轴承座内;
[0221] 图2示出了图1的热力机中使用的液态金属旋转电耦合器的放大截面图,电流通过与转子轴线同轴的固定电极圆盘流至转子和从转子流出,每个固定电极圆盘均附接至外部电源(未图示)的一个端子,并且另外被隔离以免彼此接触;
[0222] 图3示出了图1的热力机中使用的转子低温传热流体出口的放大截面图,其示出了转子低温传热流体出口和转子低温传热流体入口的细节,并且图示出转子低温传热流体出口位于转子低温传热流体入口的径向外部并且形成排放到附接至转子壳体的低温传热流体出口扩散器中的离心泵的推进器的方式,图3还示出了低温端转子轴承的径向柔顺轴承座的细节;
[0223] 图4示出了工作流体加热器和/或工作流体冷却器的优选实施方式的细节,该工作流体加热器和/或工作流体冷却器比如在如图1的热泵那样构造的热力机中使用,还可以在本发明的其它热泵和发动机中使用,并且可以作为在工作流体与温热传热流体或低温传热流体或冷却剂流体或高温加热流体之间传热的热交换器操作;
[0224] 图5示出了工作流体加热器和/或工作流体冷却器的优选实施方式的细节,该工作流体加热器和/或工作流体冷却器比如在如图1的热泵那样构造的热力机中使用,还可以在本发明的其它热泵和发动机中使用,并且作为在工作流体与温热传热流体或低温传热流体或冷却剂流体或高温加热流体之间传热的热交换器操作;
[0225] 图6是构造为图1至图3的热泵的热力机的简化的流程图和截面图,示出了热泵内的流体流动的总体构型,其中,优选地主要为包括氙气、氪气和氩气的名单中的一种或更多种的工作流体通过由压缩机马达驱动的工作流体压缩机绕转子内的气密密封的工作流体循环路径循环;
[0226] 图7是构造为热泵的本发明的热力机的部分的简化的流程图和截面图,其示出了热泵内的流体流动的总体构型,该热泵利用离心热虹吸来产生使工作流体循环通过热泵送过程所需的压力增益,工作流体绕转子内的气密密封的工作流体循环路径循环,转子由转子壳体内的转子马达(未图示)驱动,转子壳体通过真空泵部分地抽真空以将转子风阻降至低值;
[0227] 图8是构造为热泵的本发明的热力机的简化的流程图和截面图,其示出了热泵内的流体流动的总体构型,该热泵利用离心热虹吸或压缩机或离心热虹吸和压缩机两者来产生使工作流体循环通过热泵循环所需的压力增益,并且该热泵利用外部加热的高温加热流体来提供驱动工作流体离心热虹吸的热能,工作流体绕转子内的气密密封的工作流体循环路径循环,转子在转子轴承上旋转并且在转子壳体内由转子马达(未图示)驱动,转子壳体通过真空泵部分地抽真空以将转子风阻降为低值;
[0228] 图9是构造为发动机的本发明的热力机的简化的流程图和截面图,其示出了发动机内的流体流动的总体构型,该发动机利用离心热虹吸来产生使工作流体循环通过转子内的涡轮的压力增益以产生电力,并且该发动机利用外部加热的高温加热流体来提供驱动工作流体离心热虹吸的热能,工作流体绕转子内的气密密封的工作流体循环路径循环,转子在转子壳体内由转子马达(未图示)驱动,转子壳体通过真空泵部分地抽真空以将转子风阻降为低值;
[0229] 图10是用于如由图7和图11和图17例示的本发明的热泵和/或发动机的辐射加热器的优选构型的简化流程图,其中,空气被从空气入口通过风扇泵送以强制空气通过回热器或再生器,在回热器或再生器中空气通过来自离开辐射器的高温排气的热传递被加热,之后通过在燃烧器中用燃料燃烧而进一步被加热,燃烧的高温产物然后加热辐射加热器,以将必要的辐射热传递提供至转子,并且离开辐射器的排气然后回头穿过回热器或再生器来预热进入的空气;
[0230] 图11是构造为发动机的本发明的热力机的简化的流程图和截面图,其示出了发动机内的流体流动的总体构型,该发动机利用离心热虹吸来产生使工作流体循环通过转子内的涡轮以产生电力的压力增益,并且该发动机利用转子的外半径附近的辐射传热来提供驱动工作流体离心热虹吸的热能;
[0231] 图12是示出了在工作流体利用在现实中只是近似的理想热力学过程绕图11的发动机的转子内的工作流体循环路径循环时发生在工作流体内的理想循环的热力学变化的曲线图,竖向轴线上表示压力,水平轴线上表示比容,即流体密度的倒数;
[0232] 图13是示出了在工作流体利用在现实中只是近似的理想热力学过程绕图9的发动机的转子内的工作流体循环路径循环时发生在工作流体内的理想循环的热力学变化的曲线图,竖向轴线上表示压力,水平轴线上表示比容,即流体密度的倒数;
[0233] 图14是示出了在工作流体利用在现实中只是近似的理想热力学过程绕图6的热泵的转子内的工作流体循环路径循环时发生在工作流体内的理想循环的热力学变化的曲线图,竖向轴线上表示压力,水平轴线上表示比容;
[0234] 图15是示出了在工作流体利用在现实中只是近似的理想热力学过程绕图7和图17-20的热泵的转子内的工作流体循环路径循环时发生在工作流体内的理想循环的热力学变化的曲线图,竖向轴线上表示压力,水平轴线上表示比容;
[0235] 图16是示出了在工作流体利用在现实中只是近似的理想热力学过程绕图8的热泵的转子内的工作流体循环路径循环时发生在工作流体内的理想循环的热力学变化的曲线图,竖向轴线上表示压力,水平轴线上表示比容;
[0236] 图17示出了构造为热泵的本发明的热力机的优选实施方式的剖切面与转子轴线重合的横截面图,其中,旋转转子内的工作流体的循环通过辐射加热的离心热虹吸以及电动压缩机供以动力,离心热虹吸和压缩机各自贡献驱动转子内的工作流体循环所需的总压力增益的一可变部分,转子在部分抽真空的转子壳体内绕转子轴线旋转以减小风阻阻力;
[0237] 图18示出了图17的热泵的横截面图,其中剖切面与转子轴线重合,并且图示出了热泵的靠近转子轴线的那些部分的细节;
[0238] 图19为图18的横截面图的一部分的细节图,示出了转子的低温端周围邻近转子轴线的区域,并且示出了为滚动元件轴承的低温端转子轴承的细节,低温端转子轴承安装在低温端径向柔性轴承座内,低温端径向柔性轴承座优选地为安装在转子壳体内的可变形聚合材料,可变形聚合材料在转子以最大速度旋转时使转子内的自动平衡器能够使转子质心密切接近转子轴线;
[0239] 图20为未示出转子壳体的图17至图19的热泵的转子的立体图,其示出了结合至辐射接收器盘的工作流体通路的优选布局。工作流体径向向外流过围绕转子轴线排列的压缩管,随着半径增大管渐缩至较小的直径,流过每个压缩管的工作流体然后分流以沿两个周向方向并行地流动穿过高温工作流体加热器管,高温工作流体加热器管还在沿径向邻近辐射接收器盘的周缘的环形辐射接收器区域中结合至辐射接收器盘的表面从而吸收热能。工作流体加热器管然后与膨胀管连在一起,工作流体径向向内流过该膨胀管以经受膨胀和冷却并且密度降低,膨胀管渐缩并且在越小的半径处内直径越大,以随着工作流体的密度降低而保持所需的流动速率;
[0240] 图21示出了比如可以图1的热泵或本发明的其它热泵和发动机中使用的工作流体加热器或工作流体冷却器的另一优选实施方式的轴向横截面的端视图,该工作流体加热器或工作流体冷却器以与转子的其余部分分离的方式示出,该工作流体加热器或工作流体冷却器总体形状呈绕转子轴线的圆筒形回转体并且包含围绕转子轴线排列的多个工作流体流动通路,工作流体或者在经受压缩的情况下沿大致径向向外的方向流过所述多个工作流体流动通路或者在经受膨胀的情况下沿大致径向向内的方向流过所述多个工作流体流动通路,工作流体流动通路围绕转子轴线呈螺旋形并且具有随着距转子轴线的距离增加而减少的横截面流动面积,螺旋形壁将工作流体流动通路与具有相对恒定的横截面面积的周向相邻的螺旋形传热流体通路分离;
[0241] 图22示出了图21的热交换器的沿与转子轴线重合的平面截取的横截面的立体图,环形层叠件堆叠体布置于轴向端板之间,轴向端板刚性地结合至层叠件堆叠体,由借助于螺栓夹紧至右侧轴向端板的保持环提供进一步的加载,工作流体通过绕转子轴线周向分布在右侧轴向端板中的多个入口孔进入热交换器并且通过同样绕转子轴线周向分布在右侧轴向端板中的多个出口孔离开热交换器,传热流体通过绕转子轴线周向分布在左侧轴向端板中的多个入口孔和出口孔进入和离开热交换器;
[0242] 图23示出了三个不同类型的大致环形轮廓形式的层叠件的等距视图,每个层叠件以分离的且沿转子轴线排列的方式被示出,当关于转子轴线相对于彼此适当地成角度地定位时,这些层叠件可以大量轴向地堆叠并结合在一起以形成图21和图22中示出的热交换器的环形层叠件堆叠体;
[0243] 图24示出了与转子的其余部分分离的热交换器的实施方式的沿与转子轴线重合的平面截取的横截面的立体图,并且该热交换器内的单个层叠件被示出为向左侧轴向地移位,环形层叠件堆叠体结合在刚性地结合至层叠件堆叠体的轴向端板之间,由通过螺母拉紧的中央抗张构件向环形层叠件堆叠体施加轴向压缩载荷来提供对层叠件堆叠体的附加的轴向压缩加载,工作流体经由中央工作流体传输通路、示出的外部圆形阵列的工作流体传输通路进入和离开热交换器,示出的外部圆形阵列的工作流体传输通路将工作流体输送至和输送离开转子的其它部件(未图示)并且连接至贯穿左侧轴向端板的孔以连接至环形层叠件堆叠体内的轴向工作流体连接通路;
[0244] 图25示出了可以用于图24的热交换器的三个不同类型的层叠件的立体图,每个层叠件在使用中均关于转子轴线成角度地定位并与选自该组的其它层叠件组合从而被大量轴向地堆叠并结合在一起,以形成图24中示出的热交换器的环形层叠件堆叠体;
[0245] 图26示出了一组四个层叠件以及右端处的按顺序的该四个层叠件当结合在一起时可以组合形成的物体的立体图,该一组四个层叠件可以在图27的热交换器内以重复的轴向顺序使用且每个层叠件均以分离的方式示出,该序列中的四个层叠件中的每个层叠件在使用中均关于转子轴线成角度地定位并与选自该组的其它层叠件组合以被大量轴向地堆叠并结合在一起从而形成图27中示出的热交换器的环形层叠件堆叠体;
[0246] 图27示出了沿与转子轴线重合的平面横截的热交换器的立体图,该热交换器结合有图26中示出的四层重复序列的环形层叠件堆叠体,并且示出了与传热流体螺旋形流动通路散热片相比环形层叠件堆叠体内具有双倍数目的工作流体螺旋形流动通路散热片,热交换器还具有抗张保持环,抗张保持环冷缩配合在结合在一起的左侧轴向端板、环形层叠件堆叠体和右侧轴向端板上;以及
[0247] 图28示出了构造为热泵的本发明的热力机的变型的简化流程图和截面图,其示出了热泵内的流体流动的总体构型,并且示出了两个并不一定相互兼容的转子传热流体入口选项,转子在未示出的转子支承轴承上关于转子轴线旋转。
[0248] 图29示出了构造为热泵的本发明的热力机的变型的简化流程图和截面图,其示出了热泵内的流体流动的总体构型,并且图示出了带有相关联的转子真空密封件和转子轴承的两种并不一定相互兼容的转子传热流体入口选项、以及传热流体储存器、多级工作流体压缩机和组合的旋转感应耦合器和转子驱动器。
[0249] 图30示出了构造为发动机的本发明的热力机的变型的简化流程图和截面图,其示出了发动机内的流体流动的总体构型,并且图示出了多个辐射接收器盘、具有多个顺序燃烧位置的以燃烧供给动力的辐射管、用液态金属旋转耦合器传输动力的多级动力涡轮、以及位于转子的一个端部处的单个转子轴承,其中转子轴线平行于外部施加的加速度对准。
[0250] 图31示出了构造为热泵的本发明的热力机的变型的简化流程图和截面图,其示出了热泵内的流体流动的总体构型,其中,该热泵利用高温加热流体来驱动工作流体的循环,并且热泵具有位于转子的一个端部处的两个转子轴承以及外部转子驱动马达。
[0251] 图32示出了构造为热泵的本发明的热力机的变型的简化流程图和截面图,其示出了热泵内的流体流动的总体构型,其中,该热泵利用高温加热流体来驱动工作流体的循环,并且该热泵将工作流体循环路径中的工作流体冷却过程分成高温工作流体加热器之前的部分与高温工作流体加热器之后的部分。热泵具有位于转子的一个端部处的两个转子轴承以及外部转子驱动马达。
[0252] 图33示出了附有热导管沸腾器的热导管辐射管的简化流程图,热导管辐射管可以用于将热能提供至本发明的热力机的一些变型的转子的辐射接收器。热导管沸腾器构造成从集中的太阳辐射或燃料的燃烧或电加热接受热量。

具体实施方式

[0253] 在更详细地进一步论述各领域和特征之前将对本发明进行概括性地描述。
[0254] 转子压缩过程和膨胀过程的描述
[0255] 本发明的热泵和发动机利用绕转子轴线旋转的转子。气态工作流体绕转子内的大致气密密封的工作流体循环路径以通常相对较低的流量循环,该工作流体循环路径将工作流体从转子轴线附近带离,带至转子的外围并返回。由于加速度作用在工作流体质量上,因此该工作流体经受旋转转子内的导致径向压力梯度的大向心加速度。当工作流体绕转子内的工作流体循环路径循环时,向心加速度在流体远离转子轴线行进时导致高效率压缩并在流体朝向转子轴线行进时导致高效率膨胀。如果工作流体缓慢地流动,并且如果有少量热量传递至流动通路壁或从流动通路壁传递出——这主要由该流动通路壁在径向方向上的导热性造成,那么这些压缩过程和膨胀过程可以接近热力学的理想绝热(没有热量传递到流体中或传递出流体)和等熵(过程不增加熵)压缩和膨胀,在热力学热力发动机中等熵压缩和膨胀的效率通常最大化。
[0256] 分别在转子内作为膨胀过程和压缩过程的一部分结合加热过程和冷却过程将在某些情况下引入更多益处。在工作流体径向向外流动时在热交换器中持续地冷却工作流体同时造成对于给定的半径的增大更迅速地增大气体密度并且产生较大的压力增益的压缩和冷却。如果在工作流体径向向外流动时充分地冷却以保持恒定的气体温度,则压缩过程可以非常接近理想的等温压缩。类似地,在工作流体径向向内流动时在热交换器中持续地加温工作流体减小了密度并且对于给定的半径的减小导致较小的压降。在充分加热的情况下,该过程可以非常接近理想的等温膨胀
[0257] 组合绝热且等温的压缩过程和膨胀过程提供了用于热泵送和机械能产生目的的接近效率最优的卡诺循环的可能性。
[0258] 离心热虹吸(thermosiphon)
[0259] 在离心热虹吸中,流体在旋转转子内在比从其提取相同热能所在的半径处大的半径处被加热。向内流动的被加热流体相对于向外流动的被冷却流体的降低的密度产生了比向外流动的流体中的压力增益要小的向内流动的流体中的压降。这在流体循环时在流体中产生净压力增益。本发明的热泵和发动机利用离心热虹吸在转子中的工作流体循环路径和冷却剂流体内产生压力增益。
[0260] 在本发明的发动机的情况下,气态工作流体离心热虹吸中的压力增益可以在提取能量以供给涡轮动力并产生机械力或电力的同时用于驱动工作流体绕转子内的闭式循环路径的循环。替代性地,在本发明的某些热泵的情况下,压力增益可以被用于针对转子内的热泵热力循环的压力损失来泵送工作流体。
[0261] 相对应地,在迫使流体绕其中流体反过来在较大半径处被冷却并在较小半径处被加热的循环路径流动时也存在净压降。为维持针对这种压降的流体循环,需要驱动流动的泵或压缩机或其它动力装置。
[0262] 其在本发明的发动机和热泵中的重要效果在于:当冷却剂进入和离开旋转转子并在距离转子轴线很大半径处被加热时,冷却剂内的离心热虹吸通常会提供压力增益,该压力增益将驱动冷却剂穿过转子的流动。如果供热流体进入和离开旋转转子并在距离转子轴线很大半径处被冷却,那么其将逆着压降做功并且将需要通过转子泵送以保持期望的流量。
[0263] 由离心热虹吸产生的压力增益在以下情况下成比例地增大:流体较冷、转子速度或由离心热虹吸跨越的半径的范围增大、向内的流动与向外的流动之间的温差增大、或者流体的体积弹性模量或定压比热降低。
[0264] 本发明的发动机的基本描述
[0265] 本发明的发动机利用包含工作流体的转子,工作流体密封在转子内并且被各种可能的热源中的一种或多种热源加热和被通过转子轴线附近的旋转液力耦合器进入和离开转子的冷却剂流体冷却。转子中的循环工作流体内的离心热虹吸产生驱动转子内的涡轮的压力增益以产生机械力或电力。
[0266] 初始压缩和冷却过程
[0267] 工作流体在转子轴线附近离开涡轮并且径向向外流动穿过工作流体冷却器从而经受离心压缩同时通过至冷却剂流体的热传递被冷却,为使效率最大化,该组合的压缩和冷却过程优选地接近等温压缩过程。
[0268] 恒温热源
[0269] 如果用于加热发动机中的工作流体的热能的源能够保持在接近恒温下,即使当能量例如正通过燃烧燃料、太阳能热、发动机冷却剂的热量或核热被供应至发动机时亦如此,则优选的是,对工作流体的加热接近最大温度,并且因此优选的是,在此加热之前,工作流体经历进一步的近似绝热压缩过程,在该过程中,工作流体径向向外流动至更大的半径处,以使其压力和温度上升。为了获得最大的效率,在此近似绝热压缩过程中所获得的最终温度应略低于热源的温度。工作流体然后在最大半径处或接近最大半径处在工作流体加热器中被加热。
[0270] 在一个优选的发动机构型中,该工作流体加热器为在转子的最大半径处或在转子的最大半径附近的辐射接收器,热能通过来自转子外部的辐射热源的辐射传递至该辐射接收器。
[0271] 在另一优选构型中,热能通过在转子轴线处或转子轴线附近借助于旋转液力耦合器进入和离开转子的高温加热流体从高温热源传输到转子中。工作流体加热器为转子的最大半径处或转子的最大半径附近的利用从高温加热流体传递的热来加热工作流体的热交换器。
[0272] 优选对于辐射加热和高温加热流体加热而言,工作流体在被加热的同时径向向内流动一段距离,使得在启动期间将沿所需的热虹吸驱动方向建立工作流体的流动。在工作流体也径向向内流动并膨胀的同时加热工作流体可以近似等温加热过程,但转子速度限制在许多情况下会意味着这种等温加热将对整体效率具有很小的益处或没有益处,通常有利的是,在不存在峰值温度限制的情况下在尽可能大的压力添加尽可能多的热能。
[0273] 废热流体流热源
[0274] 如果用于加热发动机中的工作流体的热源是废热流体流,例如地热加热的蒸气、水或者存储的热能或者来自燃烧过程或燃烧燃料的发动机的排气等,其中废热流体流在其将能量提供至发动机时冷却,那么优选的是,在工作流体已经离开工作流体冷却器之后极少存在另外的对工作流体的压缩或不存在另外的对工作流体的压缩。这使得能够从废热流体流最大程度地有效提取热能。
[0275] 热能通过由外部逆流热交换器中的废热流体流加热并借助于转子轴线处或转子轴线附近的旋转液力耦合器进入和离开转子的高温加热流体从废热流体流传输到转子中。工作流体加热器为在转子的最大半径处或在转子的最大半径附近的逆流热交换器,在该逆流热交换器中,工作流体在高温加热流体冷却时被高温加热流体加热,并且工作流体和高温加热流体的流量优选地被控制成使得工作流体在接近进入工作流体加热器的高温加热流体的温度下离开逆流热交换器,并且高温加热流体在接近进入该工作流体加热器的工作流体的温度下离开逆流热交换器。
[0276] 膨胀和涡轮
[0277] 对于发动机的恒温热源和废热流体流热源两种版本而言,在工作流体被加热之后,工作流体径向向内流动至涡轮从而经历优选近似绝热膨胀过程,使得其温度和压力在进入涡轮之前已下降。
[0278] 转子内的涡轮优选地为动态式的并且将通常为相对于转子绕与转子轴线一致的轴线旋转的具有一级或多级的向心式涡轮或轴流式涡轮。涡轮通常将在相对较低的温度下操作,其中工作流体出口的温度将理想地接近冷却剂流体的温度,以使发动机的效率最大化。涡轮驱动转子内的发电机,并且涡轮和随附的发电机转子这两者支承在转子内的允许它们相对于转子旋转的轴承上。在具有高的最大工作流体温度的发动机中,这些轴承优选地为气体润滑的或磁悬浮的,使得不存在能够分解并污染工作流体或能够在工作流体循环路径的高温部件中形成沉积物蒸发润滑剂,但这在最大温度低于700K的转子中可能不算是问题。低蒸气压力油脂或油润滑的滚动元件轴承也可以适于用作涡轮和发动机轴承,在它们采用密封件以限制工作流体循环路径的润滑剂污染的情况下尤其如此。
[0279] 对于高效率和低重量而言发动机优选地为永磁体类型的,并且由发电机产生的电优选地通过旋转电耦合器转移离开转子,其中,非接触式感应旋转耦合器、干滑动接触滑环或液态金属旋转电耦合器是旋转电耦合器的优选的示例。附接至转子并随转子旋转的发电机绕组优选地通过冷却剂流体或工作流体冷却。
[0280] 发动机效率
[0281] 利用恒温热源及等温压缩和膨胀过程来分别冷却和加热工作流体的发动机接近卡诺循环,并且因此与在类似温度限制的情况下操作的其它发动机相比能够非常高效率。
[0282] 利用废热流体流热源的发动机还可以从废热流体流高效地提取能量,并且可以在存在很少其它有效选择的小尺寸中保持相对较高的效率。
[0283] 本发明的热泵的基本描述
[0284] 本发明的热泵利用包含工作流体的转子,工作流体被密封在转子内并且从低温传热流体吸收热能和排放热能至温热传热流体,温热传热流体为比低温传热流体温度高的冷却剂流体。低温传热流体和温热传热流体通过转子轴线附近的旋转液力耦合器进入和离开转子。热泵过程吸收能量并需要泵送装置以驱动转子内工作流体的循环。在不包括供以循环动力的泵送装置的情况下,工作流体在本发明的热泵循环的转子中经历的热力学过程的基本循环如下所述:
[0285] 工作流体在其最接近转子轴线时处于其最冷的温度和最低的压力。工作流体径向向外流过一个或更多个压缩通路从而经历近似绝热的压缩,压力和温度增加直到工作流体优选地比温热传热流体略热为止。工作流体然后径向向外进入并流过工作流体冷却器从而在其经历进一步压缩时将热能从工作流体传递至温热传热流体。优选地,温热传热流体的流量足够高以致于其在工作流体冷却器内的温度增加相对较小使得工作流体冷却器内的工作流体的压缩理想地接近等温压缩过程。
[0286] 工作流体然后径向向内流过一个或更多个膨胀通路从而经历近似绝热的膨胀,近似绝热的膨胀降低其压力和温度直到其温度优选地略低于低温传热流体为止。工作流体然后径向向内进入并流过低温工作流体加热器,从而在其经受进一步膨胀时从低温传热流体吸收热能。优选地,低温传热流体的流量足够高以致于其在工作流体冷却器内的温度降低相对较小并且工作流体冷却器内的工作流体的膨胀理想地接近等温膨胀过程。这完成了本发明的热泵的基本工作流体热力循环,但与在工作流体循环通过该热泵循环时工作流体中出现的压力损失对比,这不包括用于供以循环动力的必要泵送装置。
[0287] 压缩机驱动的热泵工作流体循环
[0288] 在本发明的热泵的优选构型中,工作流体完成热泵送循环的循环通过结合到转子中的位于低温工作流体加热器的出口与绝热压缩过程的起点之间的工作流体压缩机驱动。
[0289] 转子内的压缩机优选地为动态式的并且将通常是相对于转子绕与转子轴线一致的轴线旋转的具有一级或多级的径流式(离心式)压缩机或轴流式压缩机。压缩机由转子内的马达驱动,并且压缩机和所附的压缩机马达转子支承在转子内的允许压缩机和所附的压缩机马达转子相对于转子旋转的轴承上。在具有高的最大工作流体温度的转子中,这些轴承优选地为气体润滑的或磁悬浮的,使得不存在能够分解并污染工作流体或在工作流体循环路径的高温部件中形成沉积物的蒸发的润滑剂,但这在最大温度低于700K的转子中可能不再是问题。低蒸气压力油脂或油润滑的滚动元件轴承也可以适于用作压缩机和压缩机马达轴承,在它们采用密封件以限制工作流体循环路径的润滑剂污染的情况下尤其如此。
[0290] 对于高效率和低重量而言压缩机马达优选地为永磁体类型的,并且马达所使用的电优选地通过旋转电耦合器传送至转子,其中,非接触式感应旋转耦合器、干滑动接触滑环或液态金属旋转电耦合器是旋转电耦合器的优选的示例。附接至转子并随转子旋转的压缩机马达绕组优选地通过温热传热流体或低温传热流体或者通过工作流体冷却。
[0291] 离心热虹吸驱动的热泵工作流体循环
[0292] 在本发明的热泵的另一优选构型中,工作流体完成热泵送循环的循环由离心热虹吸驱动,离心热虹吸通过在比以与本发明的发动机类似的方式移除热能的半径处大的半径处将热能增加至工作流体来在工作流体的流动中产生压力增益。这需要在比工作流体冷却器的半径更大的半径处增加高温工作流体加热器,并且在许多情况下,这将通过在高温工作流体加热器之后在绝热膨胀之前的另外的绝热压缩最有利地链接到热泵循环。
[0293] 这种高温工作流体加热器可以或者在工作流体冷却器之前或者在工作流体冷却器之后插入到一系列热泵循环过程中,或工作流体冷却器可以分用,使得在一系列流动过程内,部分工作流体的冷却在高温工作流体加热器之前并且部分工作流体的冷却在高温工作流体加热器之后。通常(且有利地)会使用于恒温热源和用于给定的转子圆周速度的效率最大化的最优选的构型是在工作流体冷却器之前插入高温工作流体加热器,使得过程的一般顺序如下:
[0294] 从转子轴线附近至定位高温流体加热器的最大半径进行工作流体的近似绝热压缩,工作流体在该压缩期间将获得温度和压力以理想地达到刚刚低于高温工作流体加热器的温度的温度。
[0295] 在高温工作流体加热器中加热工作流体,这种加热将优选地在工作流体于加热过程期间径向向内流动时通过至少一些同时的膨胀实现。在某些情况下,该加热甚至可能近似等温加热,但这不是必须的。
[0296] 在工作流体径向向内流动时进行工作流体的近似绝热膨胀从而使工作流体冷却,直到它到达其温度优选地略高于温热传热流体的温度的半径并且进入工作流体冷却器为止,在工作流体冷却器中,工作流体径向向外流动从而在理想地近似等温压缩的过程中将热能传递到温热传热流体中。
[0297] 这之后是在工作流体朝向低温工作流体加热器径向向内流动时工作流体的进一步近似绝热膨胀,从而使工作流体冷却和膨胀,直到工作流体理想地处于比低温传热流体略低的温度为止。工作流体然后在其径向向内流过低温工作流体加热器时经历近似等温膨胀和加热,从而从低温传热流体吸收热能。这在该通过离心热虹吸驱动的热泵的优选实施方式中完成了所述一系列过程。
[0298] 恒温热源离心热虹吸驱动的热泵
[0299] 如果用于加热离心热虹吸驱动的热泵中的工作流体的热能的源能够保持在恒温附近,甚至在能量例如通过燃烧燃料、太阳能热、内燃发动机冷却剂的热或核热等被供给到热泵时亦如此,则优选的是对工作流体的该加热在最大工作流体温度或接近最大工作流体温度时进行,并且为使效率最大化,在该加热过程中获得的最终工作流体温度应当理想地不过多地低于热源的温度。
[0300] 在一个优选的热泵构型中,高温工作流体加热器是位于转子的最大半径处或转子的最大半径附近的辐射接收器,热能通过辐射从转子外的辐射热源传递至辐射接收器。
[0301] 在另一优选构型中,热能通过借助于转子轴线处或转子轴线附近的旋转液力耦合器进入和离开转子的高温加热流体从高温热源输送到转子中,并且高温工作流体加热器为位于转子的最大半径处或转子的最大半径附近的热交换器,该热交换器利用从高温加热流体传递的热来加热工作流体。
[0302] 对于辐射加热和高温加热流体加热两者而言优选的是,工作流体径向向内流动一段距离以在被加热的同时膨胀,使得在启动期间工作流体的流动将始终建立在所需方向上。在工作流体还径向向内流动并且膨胀的同时在高温工作流体加热器中加热工作流体可近似等温加热过程,但考虑到其它设计约束,例如受限的转速等,这种等温加热将不一定使效率最大化。
[0303] 废热流体流热源离心热虹吸驱动的热泵
[0304] 如果通过离心热虹吸驱动热泵中的工作流体循环的热源是废热流体流,例如储存介质像地热加热的水中的热能、储存的热能、或来自燃烧过程或燃烧燃料的发动机的废气等,那么在许多情况下,最经济的将是将热源冷却至接近环境温度来将最大能量提供至热泵。在这种应用中,优选的是,工作流体流过高温工作流体加热器紧之前的工作流体冷却器。该工作流体冷却器从转子的高温工作流体加热器所在的最大半径附近径向向内延伸至较小半径,在该较小半径处,从低温工作流体加热器的在转子轴线附近的出口径向向外流动的工作流体已经经历充分的绝热压缩从而加热成刚好高于温热传热流体温度。
[0305] 热能通过由外部逆流热交换器中的废热流加热并借助于转子轴线处或转子轴线附近的旋转液力耦合器进入和离开转子的高温加热流体从废热流传输到转子中。高温工作流体加热器为在转子的最大半径处或在转子的最大半径附近的逆流热交换器,在该逆流热交换器中,工作流体在高温加热流体冷却时被高温加热流体加热,并且工作流体和高温加热流体的流量优选地被控制成使得离开逆流热交换器的工作流体接近进入高温工作流体加热器的高温加热流体的温度,并且离开高温工作流体加热器的高温加热流体接近进入该工作流体加热器的工作流体的温度。
[0306] 工作流体冷却器中的伸出到转子的最大半径的具有近似等温冷却和压缩的该构型允许接近要被从高温加热流体提取的有用热能的最大量,其中高温加热流体又在转子外通过废热流体流加热。在一些情况下,可以使用废热流体流作为高温加热流体而无需外部逆流热交换器。
[0307] 多于一个离心热虹吸串联以增大压力增益
[0308] 多于一个的包括压缩、加热、膨胀和冷却的离心热虹吸循环可以串联连接在一起,使得工作流体首先流过一个离心热虹吸然后流过下一个离心热虹吸以产生较大的压力增益,较大的压力增益然后可以允许相对于高温热源的温度保持较大的热泵温差。
[0309] 增加压缩机至离心热虹吸驱动的热泵
[0310] 压缩机可以可选地加至离心热虹吸驱动的热泵以可变地增大或甚至有时替代通过工作流体离心热虹吸提供的压力增益以驱动工作流体循环。
[0311] 热泵效率和经济性
[0312] 利用等温压缩和膨胀过程来分别冷却和加热本发明的热泵中的工作流体近似于逆卡诺循环,并且因此在通过压缩机驱动时可能能够具有非常高的热泵效率。
[0313] 因为离心热虹吸如果利用绝热压缩和膨胀以及等温加热的话近似于卡诺循环,因此通过离心热虹吸驱动热泵循环也可能具有异常高的能量效率。通过离心热虹吸的卡诺循环驱动的热泵的逆卡诺循环理论上提供用于使给定的温度下的热源转变成较低温度下的有效冷却或加热的最大可能的能量效率。
[0314] 能够利用另外无用的热流体流或废热流体流作为热源来驱动热泵提供了许多潜在的优点和应用,如车辆和运输用空调和制冷。因此,能够有助于节省大量能源。
[0315] 用在大多数情况下远比利用电能或其它机械能的源来驱动压缩机的情况便宜的热能来驱动离心热虹吸驱动的热泵。
[0316] 热泵除霜
[0317] 在操作期间,本发明的一些热泵可能需要从在水的冰点以下的空气吸收热能,而这可能导致吸热热交换器结霜。用于给吸热热交换器除霜的优选方法是在传热流体被交换回并且低温传热流体再次开始在吸热热交换器中吸收热量之前暂时用温热传热流体的流动与低温传热流体的流动互换,使得吸热热交换器通过温热传热流体的流动被短暂地加温,从而使积聚的冰融化。
[0318] 包括cp、k、v、r、w、p、T的方程式,其中v设定给定气体的p、T[0319] 在理想气体中描述绝热等熵压缩和膨胀过程的理论方程式可以与h的变化关联。对于转子绕转子轴线以角速度w旋转而言,切向速度v通过方程式v=w.r给出,其中r是距转子轴线的径向距离。如果包含在转子内的理想气体从半径r1流向半径r2而不传2 2 2 2 2
热,其将导致理想气体内的焓h=0.5w(r2-r1)=0.5(v2-v1)的变化,以及由此而来的由
2 2 2 2
方程式h=cp(T2-T1)=0.5(v2-v1)或(T2-T1)=0.5(v2-v1)/cp给出的温度T的变化,其中cp是理想气体的定压比热并且是恒定的。于是就可以从用于绝热等熵压缩的方程式p1(k/(k-1))
=p2.(T1/T2) 找出压力p的变化,其中k是理想气体的定压比热与定容比热之比并且是恒定的。因此,对于转子内没有热传递慢慢循环的理想气体而言,温度和压力的变化主要由切向速度v的变化支配。
[0320] cp和k的重要性
[0321] 定压比热cp的值越小,对于给定的切向速度v的变化,温度变化越大。单原子气体具有最高的k值,从而有利地对于给定的温度变化,产生较小的压力变化,这可以减小转子内的峰值气体压力。定压比热cp与原子质量的逆关联,因此通常具有高原子质量的气体用于使转子速度最小化是最佳的。即使真实气体的cp值和k值随着温度和压力略微改变,但是理想气体方程式仍然会在许多情况下密切近似于真实气体的行为,而在接近气体的临界点的温度和压力下极大地不同于理想行为。
[0322]
[0323] 表1
[0324] 工作流体的选择
[0325] 惰性气体的化学惰性、高k值和低cp值使得它们在本发明的发动机和热泵中作为工作流体是有吸引力的。对于大多数应用,氙气将是最佳的工作流体,具有低cp=158J.kg-1.K-1,并且能够在低到高于其三相点161.4K几开氏温度的温度使用,这对于除低温学以外的其它大多数应用而言足够低。氙气是稀有的且昂贵,因此设计将优选地使使用的量最少以及使泄漏最少。在一些应用中,氙气由于成本而可能不适合,也不适合一些较低温度的低温学应用,在这些应用中更轻的且更便宜的气体如氪气或氩气可以被使用以节省成本。对于非常低的低温,可能需要氖气或甚至氦。在某些情况下,可能最好使用由这些气体中的两种或更多种气体混合的工作流体,包括较低cp、较高临界温度的气体,例如通过在循环中在最低温度冷凝成液体固定的分压极限下的氙气(特别是对于到低温热交换器的入口处的热泵),并且向该气体补充下一种最轻的稀有气体,在本例中为氪气,从而得到cp高于氙气的cp但仍低于氪气本身的cp的工作流体气体混合物。
[0326] 温度和转子边缘切向速度对效率的影响
[0327] 热发动机具有最终通过卡诺方程η=1-(Tc/Th)限制的热效率η,其中,Th和Tc分别是以K计量的最大循环温度和最小循环温度。热泵类似地具有根据COP即性能系数来衡量的性能。COP等于所需输出(加热和冷却)除以所需输入并且类似地受最大加热COP即COPheat=Th/Lift以及最大冷却COP即COPcool=Tc/Lift的限制,其中,Tc为热量被吸收的低温温度并且Th为热量被释放的高温温度,并且Lift=Th-Tc为Th与Tc之间的温差。没有热泵或发动机能够实现这些终极的COP或热效率水平,但高效压缩和膨胀过程在本发明的转子内的使用使得可以比更常规的发动机和热泵能够实现的COP或热效率更加接近这些极限。
[0328] 对于理想工作流体而言由转子内径向流动的工作流体引起的绝热压缩或膨胀过程中的温度变化通过方程式(T2-T1)=0.5(v22-v12)/cp给出,其中T是工作流体温度,cp是工作流体的定压比热,以及v是转子在给定半径处的切向速度,下标1和2指绝热过程的开始径向位置和结束径向位置。
[0329] 在本发明的发动机和离心热虹吸驱动的热泵的几个优选构型中,随着工作流体径向向外流动至位于转子边缘/周缘处的最大转子半径附近,工作流体中的温度增益几乎完全通过绝热压缩过程产生。在这种情况下,转子边缘切向速度vrim>(2cp(Th-Tc))0.5并且由于(Th-Tc)对发动机或离心热虹吸驱动的热泵的效率有很大影响,因此效率高度取决于vrim和cp。cp=158的氙气允许以比cp=248的氪气或cp=520的氩气低的转子速度实现高效率。
[0330] 转子内的材料应力一般与vrim2以及材料密度成比例,所以相同转子设计具有类似的绝热压缩温度升高并实现类似的效率,但是具有较高cp的不同工作流体通常会与cp的增大成比例地增大材料应力。在以给定的周缘切向速度旋转的连续环中的应力通常将远比以相同末端切向速度旋转的径向轮辐或圆盘的应力高。其它因素如在发生转子故障的情况下2
必须包含的动能、一些支承力以及加速时间也与vrim密切相关。向心加速度引起的应力可以是对最大转子速度的限制因素,在转子在最大转子半径附近具有由抗拉强度随着温度升高而减小的材料制成的高温部件的情况下尤其如此。
[0331] 等温过程的益处
[0332] 本发明的发动机和热泵内采用等温加热(膨胀)和冷却(压缩)过程具有许多优点:
[0333] 热传递在工作流体与温热传热流体以及低温传热流体之间具有大致恒定温差的情况下发生通常将使热泵必须跨越其泵送热能的温差的大小或Lift最小化。正是该Lift驱动所需的输入泵送功率的量并且高于和低于限定Lift的温热传热流体和低温传热流体温度的更大的工作流体温度变化通常需要更大的功率输入。等温加热和冷却过程允许在给定对最高温度和最低温度的限制的情况下达到最高热力循环效率,并且无损失可以允许接近卡诺效率的热力循环。
[0334] 利用等温加热和冷却过程意味着更多的热能可以进入和离开整个工作流体循环路径上的各线路上的工作流体并对整体效率的影响不大。对于给定功率输出这可以降低工作流体的质量流量,通常对于给定的循环路径长度和流动速度可以减少流动通路的横截面面积和容积,从而降低工作流体的质量。工作流体循环路径在不降低效率的情况下通常长度将难以减少并且平均流动速度不能提高。对于昂贵的工作流体像氙气和氪气,该转子内质量的减少会是经济地制造本发明的发动机或热泵的关键。
[0335] 热交换器接近恒温操作还具有使由热交换器内的热膨胀差产生的应力最小化的优点。
[0336] 工作流体加压
[0337] 通常非常有利的是将本发明的发动机和热泵中的工作流体加压到远高于大气压力的压力,因为这减小了工作流体体积从而减少有效地传递给定热量所需的热交换器的体积和重量。这产生的另一益处在于较小体积的热交换器通常将允许转子的尺寸和重量减小,从而减少工作流体流动路径的长度和所需的工作流体的量。具有较少工作流体的较小转子通常将制造起来更便宜,而较小的转子也将具有较低风阻损失和轴承摩擦损失,并在某些情况下甚至可以使得没有必要采用具有转子真空密封的抽真空的减小风阻转子壳体。这对于本发明的利用氙气作为工作流体并只使用压缩机来驱动工作流体循环的热泵尤其如此,因为本发明的这种热泵将具有相对较低的转子圆周速度。更大的工作流体加压的额外好处可以是随着工作流体压力增大热交换器内的液态传热流体与气态工作流体之间的平均压力差降低。
[0338] 存在倾向于限制最佳的工作流体压力的几个问题。如果转子中有压缩机马达或涡轮发电机,则压缩机马达或涡轮发电机在工作流体压力增加时通常将被浸入该工作流体中并将遭受增加马达或发电机的定子与转子之间的磁通间隙中的工作流体摩擦阻力损失。这可以通过采用更长和更小直径的压缩机马达或涡轮发电机使得磁通间隙中的表面速度降低而部分地被减轻,但是这会增加马达或发电机的尺寸和重量。
[0339] 在采用离心热虹吸来驱动工作流体的循环的发动机和热泵中,使用较高的压力可能会导致转子的最大半径附近的高温工作流体加热器中的最大压力实际上超过被用来构造工作流体流动穿过的通路的材料的强度能力。
[0340] 气体的行为在其临界温度和压力附近与理想气体的行为差别很大。这对于在本发明的发动机和热泵中使用氙气来说是重要考虑因素,因为氙气具有接近典型的环境温度的为289.8K和5.841MPa的临界点。氙气在略高于临界温度和压力的温度和压力下的非理想气体行为通常将对在氙气处于这种温度和压力的情况下操作的本发明的热泵和发动机的效率产生负面影响。
[0341] 出于该原因,优选的是对于利用氙气作为工作流体的本发明的发动机和热泵,工作流体循环路径内的最小操作压力低于5MPa,并且在热泵的情况下,最小压力将需要足够低以致于氙气不会在至低温热交换器的入口处冷凝,在该低温热交换器中,氙气膨胀并吸收热能,对于许多热泵应用,这将使该点处氙气的压力被限制于3MPa-4MPa。
[0342] 相对于空气较高压力和较高分子量的氙气和较小程度的氪气和氩气都用于大大增加给定功率和温度变化的转子涡轮和压缩机中的雷诺数。增加的雷诺数通常将降低粘性流动损失,从而相对于使用空气的同样强大的压缩机和涡轮增大本发明的热泵和发动机中的压缩机和涡轮的可实现的效率。
[0343] 相对于空气,氙气、氪气和氩气的定压比热cp较低也意味着涡轮和压缩机对于整个涡轮或压缩机上的给定温度变化具有低得多的圆周速度,使得离心力引起的应力和应变大大减小。结合通常较低的温度,与对于使用空气的同样强大的压缩机和涡轮来说通常可能的间隙和效率相比,这往往将实现更小的间隙和更高的效率。
[0344] 回转容积中的工作流体冷凝捕获
[0345] 此外,优选的是最小工作流体压力足够低以致于工作流体不在工作流体循环路径内的任何点处冷凝,因为周期性冷凝和蒸发将降低发动机或热泵的效率。但是如果任何工作流体确实都会在循环中的任何点处冷凝成液体,则优选的是在工作流体循环路径内存在径向地面向内的液体收集腔,液体收集腔将收集接近冷凝点的任何冷凝的液态工作流体并几乎没有热传递到冷凝液中,以进一步防止不必要的周期性蒸发和冷凝。通过将任何冷凝液体收集在这种腔中,工作流体压力将逐渐减小,从而降低冷凝的温度直到没有进一步的冷凝发生为止,并且以这种方式,工作流体压力可以随着由于运行条件引起的最小工作流体温度的变化而自动地进行调整。优选的是使液体收集腔围绕转子轴线均匀地分布任何收集的液体,使得收集的液体不会在转子中产生不平衡的质量,因此,优选的是液体收集腔总体形状为径向地面向内的围绕转子轴线的回转容积。
[0346] 转子热交换器
[0347] 减小转子热交换器内的工作流体与传热流体之间的温差通常提高热泵或发动机的效率。同样重要的是,通过热交换器限制流动损失以及使热交换器紧凑以减少转子的尺寸和重量,以及减少所使用的昂贵的氙气或氪气的量。这些优选的工作流体具有相对较差的导热性并需要热交换器中具有非常小直径的流动通路以便以小温差实现高传热率。
[0348] 进行分别作为径向向内流动的膨胀过程和径向向外流动的压缩过程的一部分的加热和冷却过程使得可以用结合成热交换器的非常薄的轴向隔开的金属箔散热片构造热交换器,该热交换器制造起来廉价并且具有散热片,散热片的最薄尺寸平行于转子轴线,使得它们最小程度地被作用在它们上面的大向心加速度偏转。这种轴向间隔开的散热片在工作流体沿径向向内或向外流动时还最小程度地受由科里奥利加速度引起的工作流体中的周向压力梯度的影响。轴向间隔开的散热片的这种布置可以有利地使每立方米热交换器具有几千平方米工作流体传热面积。热交换器还需要有旋转对称性,以便在旋转转子内不产生不均衡的力。
[0349] 以转子轴线为中心的轴向隔开的散热片的环形堆叠是最优选的解决方案,但带来了许多潜在的问题和要处理的问题:除非有流动阻挡物来防止该热交换器内的不期望的周向流,否则转子转动将在工作流体内产生潜在的大的周向流动速度;径向内表面具有比径向外表面小的面积;工作流体的密度将随半径增加而增大;在任何给定半径处维持理想的等温过程所需的传热率将与半径的平方大约成比例地增加;整个热交换器上的工作流体流动路径的最佳长度可以不等于热交换器的径向跨度;整个热交换器上的工作流体流动路径的最佳横截面面积不可能匹配热交换器的沿径向增大的圆周面积;非常希望限制热交换器中的工作流体与传热流体(冷却剂、低温传热流体、温热传热流体或高温加热流体)之间的最大距离;非常希望热交换器内具有用于传热流体(冷却剂、低温传热流体、温热传热流体或高温加热流体)的相对较大的横截面面积并且在结构上要容纳的工作流体与传热流体之间还将具有非常大的压力差;构造应该是廉价的和简单的。
[0350] 具有螺旋形工作流体流动通道和轴向传热流体流动通道的热交换器[0351] 因此热交换器的第一优选构型是在轴向间隔的散热片之间结合多个单独的工作流体流动通道的大致圆筒形的热交换器,工作流体可以并行地流动穿过轴向间隔的散热片,工作流体流动通道的总体形状为围绕转子轴线的螺旋形,并且通常多个螺旋形工作流体流动通道在任何给定的轴向位置处围绕转子轴线对称地排列。周向相邻的工作流体流动通道之间的壁沿热交换器的长度被对准成轴向柱并被多个紧密间隔的传热流体(冷却剂、低温传热流体、温热传热流体或高温加热流体)的轴向流体通路沿其轴向长度穿过,该轴向流体通路不穿通进入工作流体流动通道中,并且传热流体通常将至少部分地并行流动穿过该轴向流体通路,但例如在两个轴向方向上通过热交换器时也可能部分地串联。
[0352] 螺旋形工作流体流动通道的长度可以有利地通过增加或减少螺距来改变,并且螺旋形工作流体流动通道的横截面流动面积也可以通过改变螺距和半径而沿其长度改变。
[0353] 构造这些轴向堆叠的螺旋形工作流体流动通道热交换器的优选方法是从金属片原料切出散热片并将散热片组装成轴向堆叠体,然后轴向堆叠体通常通过硬钎焊或其它金属融合过程结合在一起,其在熔点比主金属片合金低的金属片部件中的一些部件或全部部件的表面上采用钎焊合金包层或涂层。轴向堆叠体可以呈连续的环形盘之间的多个对称地周向分布的螺旋形形状的阻挡壁指状部的形式,并且指状部可以具有不同的到环形盘的厚度,使得散热片和工作流体流动通路具有不同的且最优化的轴向厚度。替代地,轴向堆叠体可以由与其它轴向相邻的螺旋形散热片沿螺旋形工作流体流动通路的螺旋形横向边缘重叠的连续的螺旋形散热片构成。于是热交换器散热片堆叠体能够由单一类型的金属片部件构成,但让步的是通路的轴向厚度与散热片的轴向厚度大致相同,而这可能不是最佳的。
[0354] 传热流体(冷却剂、低温传热流体、温热传热流体或高温加热流体)的轴向流体通路可在将热交换器结合在一起之前切割进热交换器的金属片部件中,或它们可以在将热交换器结合在一起后钻孔而成。可以有应用于轴向流体通路的精整加工的附加工序以提供更可靠的流体密封,这些附加工序比如为轴向流体通路的完成钻孔或扩孔、内部电镀、聚合物密封剂、内部涂层、应用于轴向通路的内直径的附加金属熔合过程、轴向流体通路内的管的插入和结合。
[0355] 具有周向交替的工作流体螺旋形流动通道和传热流体螺旋形流动通道的热交换器
[0356] 热交换器的第二优选实施方式是大致圆筒形或环形的层叠堆叠热交换器,该热交换器在轴向间隔的散热片之间结合有多个单独的工作流体流动通道,工作流体可以并行流动穿过所述多个单独的工作流体流动通道,工作流体流动通道在总体形状上为绕转子轴线的螺旋形,通常多个螺旋形工作流体流动通道在任何给定的轴向位置处围绕转子轴线对称地排列。类似地,为冷却剂流体、低温传热流体、温热传热流体或高温加热流体中的一者的传热流体穿过总体形状也呈绕转子轴线的螺旋形的多个传热流体流动通道并行流动。这些螺旋形传热流体流动通道与螺旋形工作流体流动通道绕转子轴线交替,使得每个螺旋形工作流体流动通道与螺旋形传热流体流动通道在两个方向上都周向相邻。这些螺旋形工作流体流动通道与螺旋形传热流体流动通道之间的壁也呈优选具有近似恒定厚度的螺旋形,并且这些螺旋形壁与螺旋形工作流体流动通道和螺旋形传热流体流动通道一起排列成平行于转子轴线的轴向柱,或者替代性地排列成绕转子轴线的大螺距螺旋结构,但螺旋结构不大可能有任何超越轴向柱的益处。
[0357] 这些螺旋形工作流体流动通道和螺旋形传热流体流动通道中的每一者的径向内端部和径向外端部分别终止在轴向工作流体连接通路和轴向传热流体连接通路中,轴向工作流体连接通路和轴向传热流体连接通路与轴向柱中的所有螺旋形流体流动通道流体地并联连接。这些轴向连接通路用作流体管道,以分布并收集来自沿着每个螺旋形流动通道的轴向对准的柱的多个螺旋形流体流动通道的流体流,否则所述多个螺旋形流体流动通道各自与其轴向相邻的螺旋形流体流动通道被垂直于转子轴线的轴向间隔开的散热片所分隔。轴向连接通路连接至流体传输通路,流体传输通路将流体传输至转子的其它部分和部件以及将流体传输离开转子的其它部分和部件。
[0358] 螺旋形工作流体流动通道和传热流体流动通道的长度可以通过增大或减小螺距来改变,并且其横截面流动面积也可以通过改变螺距和半径而沿其长度改变,通常优选的是螺旋形工作流体流动通道的横截面流动面积随着半径的增加而减小以补偿在更大的半径处的增加的压力和增加的工作流体密度,因为这有助于维持更接近恒定的工作流体流动速度以典型地减小摩擦流动损失。
[0359] 确保层流并且通常低于2m.s-1的低流动速度通常将导致本发明的热力机的最低的流动损失和最高的效率,因为本发明的热力机更多地依赖于流体的热导率,而不是产生必要热传递的功率耗散的湍流混合。
[0360] 在大多数情况下,预期在热交换器中将采用结实的径向外壁以保持流体并增加强度,而可以还是不可以采用结实的径向内壁取决于流体如何被供给到热交换器或被从热交换器提取出。热交换器的端部将通常被轴向端板覆盖,轴向端板硬性地轴向终止工作流体流动通道和传热流体流动通道的螺旋形柱内的流体压力。
[0361] 构建这些环形层叠件堆叠体换热器的优选方法是由适当的金属板原料切割、压印、锻造、压平或以其它方式形成或机加工成通常大体轮廓呈环形且具有各种各样穿孔的薄层叠件,并且将这些薄层叠件组装成轴向堆叠体,这些轴向堆叠体通过诸如软钎焊或硬钎焊的金属融合过程被结合在一起,但这些轴向堆叠体也可以通过熔焊、扩散粘结或聚合物粘结而被结合在一起,其中,软钎焊或硬钎焊在一些或所有金属板部件的表面上采用熔点比主金属板合金低的软钎焊或硬钎焊合金覆层或涂层。层叠件可以具有恒定的厚度,在这种情况下,将需要至少两种类型的以交替的轴向顺序组装的层叠件部件,或者在某些情况下层叠件可以在其面上具有多个不同的厚度,在这种情况下,可以需要仅一种类型的层叠件。
[0362] 环形层叠件堆叠体可以被保持在大致圆筒形的抗张环内,抗张环优选地分别利用抗张环或环形层叠件堆叠体的相对加热和/或冷却而冷缩配合在热交换器的外直径周围,以引起环形层叠件堆叠体和轴向端板内的在径向、周向和轴向方向上的压缩载荷,从而使得对由流体压力或向心加速度产生的拉伸载荷更有抵抗力。
[0363] 通常优选的是在将环形层叠件的轴向堆叠体结合在一起以形成本发明的热交换器的过程中,在结合温度下可能仅略低于材料的屈服强度的很大轴向压力被施加以减小存在于成品热交换器中的任何流体泄漏间隙的可能性。
[0364] 除硬钎焊、软钎焊之外,熔焊、扩散粘结和聚合物粘结也是用于将这些热交换器的层叠件层以及轴向端板结合在一起的可能方法。
[0365] 一旦结合在一起,热交换器也可以可选地经受流动通路的内部无电或化学镀层或经受聚合物的施加,以使热交换器内具有更好的耐腐蚀性或密封任何潜在的泄漏。
[0366] 在低至中等的温度下,铝合金通常将由于低成本、高导热性、低密度和加工简单而成为用于这些热交换器的优选材料,然而,在某些情况下也可以利用铜合金,并且高导热性纤维或碳纳米管复合材料也可以被选择用于某些应用,在这种情况下,用于将散热片结合在一起的系统很可能是聚合物粘结。在高温下,存在可以应用的许多材料,诸如镍、铁或钴超合金或可能地钼合金。
[0367] 转子逆流热交换器
[0368] 轴向堆叠的螺旋形工作流体流动通路热交换器的结构的优点和简化意味着这也是一种用于制造逆流热交换器以利用正冷却的高温加热流体流有效地加热工作流体的有利方法。
[0369] 具有螺旋形工作流体流动通道和轴向传热流体流动通道的作为逆流热交换器使用时的热交换器的优选结构中的工作流体优选地径向向内流动,而高温加热流体在以内半径开始并以外半径结束的逐渐增大的半径处轴向地来回流动穿过螺旋形工作流体流动通路之间的轴向流体通路。在这种逆流热交换器中,利用较小的工作流体流动通路尺寸加上热导率较小的材料来制造热交换器可能有利,以便减小不想要的通过热交换器的金属从高温内半径至低温外半径的热传导的速率。
[0370] 环形层叠件堆叠体内具有交替的螺旋形工作流体流动通路和传热流体流动通路的热交换器的另一优选实施方式也可以用作逆流热交换器,其中,与工作流体相比,加热流体沿相反的方向径向地流动,并优选地径向向外流动。
[0371] 利用转子热交换器的这两种优选构型中的任一者作为逆流热交换器的另一优点在于,逆流热交换器的外直径相对低温,因此可以更容易地保持在由仅在低温下具有高强度的材料制成的径向外部结构支承环内。然而,可能有必要限制逆流热交换器的轴向长度,以防止由于内半径与外半径之间的不同热膨胀造成的损坏,也有具有相对较低的热膨胀系TM TM数值的一些材料,例如殷 或可伐 ,因此可以用于制造这种类型的逆流热交换器。钼因其与大多数铁、镍和钴合金相比时相对较高的热导率和较低的热膨胀系数也可以是合适的材料选择。冷却剂、温热传热流体和低温传热流体
[0372] 冷却剂、温热传热流体和低温传热流体的期望的属性通常是:高体积比热容、低粘度、低体积模量(低可压缩性)、低化学反应性、低成本和低毒性。液体由于其高密度因此通常对于传递给定的热通量而言与气体相比更小的流动通路要求而是强烈优选的。主要由水或醇连同可选的用于减少或限制腐蚀或其它不希望的沉积物的添加剂组成的液体可能在大多数情况下是优选的选择。特别是水具有高体积模量以及高比热和密度,高体积模量导致在其经历压缩时很少加热,高比热和密度可以使得在与其它传热流体所需的流动通路相比时能够使用相对较小直径的流动通路。对于某些应用而言,盐或其它添加剂可以添加到水中以抑制或降低冻结温度。针对高的温度可能存在优选的其它液体,例如在高的温度下具有相对较低的蒸气压力的一些醇、油或液态金属。在非常低的温度下,可能希望采用烃类液体或甚至比如氢气或氦气的气体。
[0373] 高温加热流体
[0374] 存在可以适于将热能传递到转子中的许多流体。优选的是液体的密度相对较低,以便限制转子内的高温工作流体加热器中的压力。烃油在高达几乎700K的温度下是有吸引力的。液态金属如钠-钾的共晶和锂具有非常良好的传热性能和相对较低的密度,因此在较高的温度下是优选的选项。也可能的是,高比热气体如氦气和氢气可以优选地用作某些应用的高温加热流体。
[0375] 由于高温加热流体在转子内的较大半径处接受的冷却,高温加热流体中将有压降。该压降将随着高温加热流体在转子内的冷却的变大而增大,并且因此传热流体通常将需要在压力下被供给到转子,使得出口压力高于零。因此,高温工作流体将在许多情况下需要通过外部泵经由高温加热流体旋转耦合器泵送到转子中,高温加热流体旋转耦合器通常将还需要结合有旋转密封件以容纳泄漏的高温加热流体和防止高温加热流体的泄漏。通常优选的是使高温加热流体泵和任何这种旋转密封件位于离开转子的高温加热流体出口处或离开转子的高温加热流体出口附近,高温加热流体在该出口处或该出口附近最冷。在许多情况下,预期的是高温加热流体泵将被整合到离开转子的出口中,其中转子用作高温加热流体的动态泵推动器。
[0376] 传热流体泵送
[0377] 低温传热流体和高温加热流体两者因其沿与离心热虹吸相反的方向流动而在转子内经历冷却并因此在转子内经受压力损失,并且将需要外部泵来保持其穿过转子的流动。本发明的热泵中的温热传热流体或发动机中的冷却剂流体两者在转子内经历加热并因此将有通过离心热虹吸产生的压力增益来至少部分地驱动其循环,但可能需要额外的外部泵来克服流动损失并保持所需速率的流动。
[0378] 这些传热流体循环泵可以是通过一个或更多个电动马达等单独或一起控制并供以动力的外部泵。在优选的构型中,本发明的热泵或发动机中的所需传热流体泵中的一个或更多个传热流体泵整合到离开转子的流体出口中,使得转子流体出口用作推进器,该推进器增加流体的相对于流体入口绕转子轴线沿转子旋转方向的角动量。
[0379] 传热流体过滤器
[0380] 通常将有必要从进入转子的流体中过滤较大颗粒和碎屑,以防止较大颗粒和碎屑在转子内积聚,这种积聚可能导致不可接受的流动路径堵塞或过度的不平衡的质量堆积。传热流体中的小颗粒通常将因作用在其上的流动流体的粘性阻力而被输送出转子。在圆周速度相同而直径较大的转子中,向心加速度将更低,因此较大的颗粒将更容易地通过传热流体中的粘性阻力被运回转子外,因此过滤要求对于较大直径的转子而言可以被放宽。通常优选的是流体在进入转子紧之前进行过滤。
[0381] 辐射热交换器
[0382] 辐射传热是用于将热能从外部热源传递到转子中以加热工作流体并从而产生离心热虹吸的优选手段。热能优选地通过将辐射器安置在转子壳体内靠近旋转转子但不与旋转转子接触而传递到高温热交换器中。这种辐射器辐射热能,辐射的热能由辐射接收器吸收,辐射接收器为转子中的高温热交换器的一部分或密切靠近转子中的高温热交换器附接,在高的温度下有效地接收辐射所需要的辐射接收器区域通常将是围绕转子轴线的大的回转表面,并且采用下述结构常常是有利的:在所述结构中,接收到的辐射热通过经由辐射接收器的在超过2mm至3mm的距离上的材料的传导被输送至工作流体,以减少所需工作流体流动通路的数目。热传递的速率与辐射器和辐射接收器的温度的四次方之间的差成比例,并因此热传递的速率以及表面面积和/或传递必要的功率所需的温差随着辐射器温度增高而迅速减小。一些材料以比理想黑体明显低的效率发出和吸收热辐射,这些材料属性被分别称为辐射率和吸收率,如果有比分别制造辐射器和辐射接收器的材料辐射率或吸收率高的涂层可用,则在许多情况下,将有用的是,将该涂层应用到辐射器和/或辐射接收器以增加辐射传热的速率。辐射盘状接收器
[0383] 用于辐射接收器的最优选的构型是该构型在总体形式上具有以转子轴线为中心的一个或多个大致环形形状的盘,并且在多个盘沿转子轴线隔开的情况下,辐射热通过其被吸收到转子中的辐射器接收器区域分布在每个盘的一个或两个轴向面上在从每个盘的最大半径向内延伸的大致环形的区域中。高温工作流体加热器包括辐射接收器的环形径向区域内的多个通路,并且或者在内部整合到盘中或者结合至盘的表面,工作流体并行地流动穿过所述多个通路。工作流体优选地经由围绕转子轴线分布的多个径向排列的压缩和膨胀通路并行地流动至高温工作流体加热器以及从高温工作流体加热器流出,高温工作流体加热器将这些压缩和膨胀通路与并行流动穿过的有助于短工作流体循环路径长度的多个相对较短的传热通路连接在一起,短工作流体循环路径长度(在氙气和氪气的情况下)有助于减少工作流体的质量。应当指出的是,此上下文中的“并行”指同时穿过径向排列的通路的流动,总流量的一部分穿过每一个通路,并且其不意在表示实际流动路径确确实实平行地排列。优选的是,径向压缩通路在比工作流体加热器至径向膨胀通路的连接处更大的半径处将工作流体输送至高温工作流体加热器,使得离心热虹吸将使工作流体沿所需方向流动。多个径向压缩和膨胀通路还有助于冷却盘的从环形辐射接收器区域径向向内的区域。
[0384] 该一个盘或多个盘通常将由厚度随着半径的减小而增大的金属构造而成以相比于较低温的内半径减少在高温周缘处的应力。
[0385] 辐射盘状接收器可以替代性地由在其内半径处连接至转子并绕转子的圆周分布的多个环形扇区形成,使得环形辐射接收器区域的多个扇区内的材料应力以径向为主,在周向方向上的应力相对较小。
[0386] 辐射器
[0387] 用于加热辐射接收器的辐射器将在大多数情况下呈在部分抽真空的转子壳体内的绕转子轴线沿主要为周向的方向弯曲的一个或多个辐射器管的形式。热通过每个辐射器管内的流体或其它热源传递至每个辐射器管的表面,并且每个管均将优选地具有选择性地隔热的外部以优先地限制并引导热辐射至转子的辐射接收器表面。
[0388] 存在用于辐射器管的诸多可能的加热流体源,包括借助于燃料与空气的燃烧、气体在管的内表面上冷凝的热管、高温度的传热流体和从核源的直接辐射。
[0389] 对于辐射盘状接收器,这些辐射器管将优选地与每个盘的一个轴向侧或两个轴向侧上的环形辐射接收器区域轴向地并排定位。
[0390] 燃烧加热的辐射器管
[0391] 在优选结构中,如天然气或一些其它烃类燃料等燃料在空气中的燃烧用于产生流过并加热辐射管的高温燃烧气体。燃烧加热的金属辐射管可以在高达约1400K的温度操作,而一些陶瓷能够在接近1600K的更高温度下操作但也更贵。为了减少从辐射管排出的废气中的否则浪费掉的热能的量,优选的是存在呈再生器或回热器的形式的逆流热交换器,其中再生器或回热器使用排放气体中的否则浪费掉的热能来在进入的空气与燃料燃烧之前预热进入的空气。
[0392] 空气穿过辐射器管的流动优选地通过至回热器或再生器的冷空气入口处的风扇或类似物驱动。
[0393] 为了使来自燃烧加热的辐射器的废气热损失最小化,优选的是通过在接近化学计量的条件下进行燃烧来使废气质量流量最小化,使得在废气中几乎不存在未反应的氧气。不希望的是,这将通常就在燃烧之后产生不可接受的高气体温度,并会产生不希望的氮氧化物和可能对辐射器管造成破坏的气体温度。因此,在优选的构型中,附加燃料在沿着穿过辐射器管的流动路径的长度的多个位置处喷入空气和燃烧气体中以在空气和燃烧气体流过辐射器管时与空气和燃烧气体燃烧并再加热燃烧气体,从而将热能传递至辐射器管以便辐射至辐射接收器。这将有利地限制辐射器管内的燃烧气体温度,同时仍然最终允许接近化学计量的燃烧以减少废气中的废热的量。
[0394] 热管辐射器管
[0395] 辐射器管的另一优选构型是将它们构造为采用来自连接至所述辐射器管的小的或局部的沸腾器的气化的金属来传热的热管。金属在沸腾器中煮沸并在辐射器管的内表面上冷凝然后通过向所述辐射接收器辐射来传热。这种热管可以提供对辐射器管的相对一致的加热,同时冷凝的液态金属优选地利用重力排回至沸腾器,并且钠和锂是在超过1000K的高温下使用的热管流体的优选示例。钼和其它难熔金属可用于不暴露于高温氧化气体的区域中的热管,部分抽真空的转子壳体在其包含很少的氧气或水的情况下可以适于这种难熔材料。由难熔金属制成的用于集中的太阳能的太阳能沸腾器可以构造在由透明窗覆盖的抽真空的容积内,以防止难熔金属的不希望的氧化。
[0396] 辐射接收器的电加热
[0397] 在一些应用中,可能希望偶尔利用电力作为能源来加热辐射接收器,在这种情况下,能量可以或者以来自转子壳体内的热电阻元件的辐射加热的方式或者利用在转子的辐射接收器的表面上快速振荡的磁场通过电磁感应被转移至辐射接收器,以加热转子的辐射接收器区域的导电性金属。
[0398] 太阳能集中器
[0399] 用于辐射器的另一优选选择是利用聚光光学系统例如抛物面镜或透镜来将穿过转子壳体中的透明孔口的集中的太阳光直接聚焦到辐射接收器上。与来自低于1400K的辐射器管的辐射通量相比的话,阳光通常可以在抛物面镜或菲涅透镜中经济地集中超过2000倍从而产生非常集中的辐射通量。高太阳能聚集使得可行的是,将太阳能热通过一个或更多个相对较小的孔口传递至总辐射接收器区域的仅非常小的一部分上并利用转子的高速旋转来在辐射接收器表面被集中的太阳光循环地照射的同时在辐射接收器表面上保持较低的平均加热磁通。使用菲涅耳透镜集中太阳光是优选的,因为如果替代性地使用镜,转子通常将遮蔽一些抛物面镜表面。菲涅耳透镜也可以有利地构造成将集中的太阳能辐射传送至非圆形的目标辐射接收器。
[0400] 有利地,这使得可以将仅照射辐射接收器的小片区域的集中的太阳能加热与通过较低温度的热源加热的辐射器进行组合,其中辐射器以较低的辐射热通量加热辐射接收器的剩余部分。以此方式,太阳能加热可以在其不足时被补充或替代。
[0401] 转子风阻
[0402] 旋转转子的外侧上的气体摩擦阻力被称为风阻并产生与转子周围的气体的密度、转子边缘切向速度vrim的三次方以及边缘半径rrim的二次方近似成正比的风阻功率损失。在大气中以高速旋转的转子的风阻功率损失相对较大,并且这种大气风阻将在大多数情况下压倒不然的话本发明的发动机或热泵与更传统的压缩机驱动的热泵和其它类型的发动机相比可能提供的任何功率节省。这使得需要设计特征来减小风阻功率损耗。
[0403] 减小vrim和rrim以及转子的轴向长度通常都将有助于减小风阻功率损耗,并且这可以通过增大工作流体的密度较容易地进行。用于降低转子风阻损失的最大可能来自于使转子被包围在相对于环境大气密度低的气体中,这将几乎总是需要使用转子壳体,转子在转子壳体内旋转并且低密度气体能够以与大气隔离的方式容纳在转子壳体中。低密度气体能够通过采用以下方式中的一种或多种来产生:以低分子量气体填充转子壳体、加热、将转子壳体部分地抽真空。
[0404] 转子壳体
[0405] 转子壳体通常在总体形式上为绕转子轴线的回转外壳,并且将具有位于转子的一个或两个轴向端部处的转子壳体端口,流体可以通过该转子壳体端口进入或离开转子并且例如轴承座和旋转驱动器之类的机械连接可以经由该转子壳体端口连接至转子。转子壳体端口通常会是圆形的并且在许多情况下将被旋转转子与转子壳体之间的旋转转子真空密封件部分地或完全地密封,使得流体可以以与转子壳体内的气体部分或完全地流体隔离的方式进入和离开转子。如果转子真空密封件或者在闲置时或者在工作期间经受一些泄漏,则通常将有必要利用真空泵来减小转子壳体内的气体压力。
[0406] 转子壳体还用作防止外部物体撞击在快速旋转的转子上的保护屏障,并且在转子故障的情况下优选的是转子壳体被设计成保持被释放的任何快速移动的碎片。
[0407] 通过转子壳体降低风阻
[0408] 转子壳体即使对大气敞开仍能够降低风阻,因为很多的风阻损失通常将由于在轴向面上沿径向向外方向泵送周围气体而产生。该流动损失和风阻功率损失发生的比率可以通过在转子的轴向面与壳体之间形成合适的轴向间隙来最小化,使得固定的轴向面与旋转轴向面之间的湍流边界层融合。即使也使用其它手段来进一步减小转子风阻损耗,但是这通常仍是优选的。转子壳体内的气体也将通过风阻和与转子的热表面的对流被略微加热,而这可以另外地降低气体密度和风阻损失。
[0409] 利用部分抽真空减小风阻
[0410] 减小风阻的最优选的方法是利用真空泵等降低压力并因此降低转子壳体内的相对于环境空气的气体的密度,从而使转子风阻阻力降低至极低的水平。真空泵通常将具有转子壳体内的入口并且将排放至环境大气中,并且取决于所采用的转子真空密封件的类型可以仅需要间歇地操作以将转子壳体的真空保持在所需水平以下。
[0411] 使用低分子量气体减小风阻
[0412] 容纳在转子壳体内以减小风阻损耗的气体能够通过用具有较低分子量气体替换-1平均分子量(MW)为28g.mol 的空气来降低密度,具有较低分子量的气体例如按平均分子量递增的顺序包括氢气、氦气、甲烷、氨气和水。氢气和氦气明显低于其它气体并且具有另一可能优点,即,由这些低MW气体撞击在高速外部转子表面的外侧上产生的临界温度将由于氢气和氦气所具有的高比热而相对较低。甲烷是一种潜在的有用的选择,因许多应用可以具有可用的天然气,可用的天然气能够用作甲烷的补给。
[0413] 水潜在地也是一种好的选择,因为水便宜、安全、通常可获得,并且能够用于通过在转子静止时用水首先填充转子壳体然后在启动时排出水而从转子壳体中移走空气或其它气体,从而迅速建立在由水的蒸气压力设定的压力下的部分真空,此后可以使用真空泵或可能的冷阱来冷凝从转子壳体出来的水蒸气并进一步降低压力。
[0414] 转子壳体内使用非氧化低密度气体也可使得能够使用在高温下具有良好强度但不抗氧化的一些材料,如钼。
[0415] 对于本发明的热泵的一些优选实施方式,可以就让转子壳体与大气通风。特别地对于本发明的只利用压缩机来驱动工作流体循环并利用氙气作为工作流体的热泵而言,最大半径处的转子切向速度可能是足够低以致于没必要作任何进一步的努力来降低转子壳体内的气体密度。
[0416] 转子真空密封件
[0417] 有必要使流体流通至转子和从转子中流出来提取并可选地给送热能,并且如果转子壳体被填充有低密度气体或者被部分地抽真空,则这些流体需要在转子的一个或两个端部处并在转子轴线处或转子轴线附近经由在旋转转子与固定转子壳体之间进行密封的圆形转子真空密封件进入和离开转子。
[0418] 优选的是,转子真空密封件具有减少真空泵送需求的低摩擦、低泄漏以及降低维护的低磨损。密封件由于高转子周缘速度以及必须贯穿它们的内直径进入和离开转子的传热流体的量而可能在它们的密封界面处经受相对较高的滑动速度。增大的滑动速度倾向于大大增加摩擦损失以使密封件滑动速度和损失最小化,通常优选的是在转子的每个端部处都具有转子真空密封件并且这些转子真空密封件具有类似的内直径。
[0419] 存在可以利用的许多类型的密封件,但最优选的一般密封件种类是液体阻挡密封件,包括流体动压密封件、动态/排出/外驱密封件、磁性流体密封件、润滑的面密封件和润滑的聚合物唇形密封件,所有这些密封件在滑动界面处利用液态阻挡流体来防止气体泄漏到部分抽真空的转子壳体中并降低密封件磨损。这些密封件中的每个密封件均可以适于用作本发明的发动机和热泵上的转子真空密封件,但存在最优选的用作本发明的发动机和热泵中的转子真空密封件的两种类型的液体阻挡密封件:
[0420] 磁性流体密封件利用在匹配的一组内部环状磁极阵列与外部环状磁极阵列之间保持就位的含有磁性颗粒的流体,使得磁性流体形成一系列轴向分开的流体环。这些磁性流体环中的每个磁性流体环通常均能够承受为密封水平大气压力的一部分的压力,因此通常需要几个这种环来将大气氛围提供至真空密封件。这种类型的密封件的高度有利之处在于其能够用于在转子旋转时以及在转子静止时提供近乎完美的气密密封。这可以极大地减小维持转子壳体内的部分真空所需的真空泵送的量或者甚至在转子壳体被最初抽真空之后完全地消除使用真空泵的需要。磁性流体密封件通常不能够在高表面滑动速度下保持密封,并且因此尽管磁性流体密封件有可能能够在一些转子的整个操作速度的范围内提供密封,但是磁性流体密封件可能还是不能够密封处于较高速度的一些转子。
[0421] 另外被称为排出密封件或外驱密封件的动态密封件通过使阻挡流体在径向地面向内的动态密封件阻挡流体腔内绕转子轴线快速旋转来操作,从而在阻挡流体内建立径向压力梯度,其中,动态密封件阻挡流体腔为绕转子轴线的回转腔。作为绕转子轴线的回转体并绕转子轴线相对于动态密封件阻挡液体腔旋转的动态密封件转子部分地浸没在动态密封件阻挡液体腔内的阻挡液体中并驱动阻挡流体在动态密封件阻挡液体腔内的旋转。动态密封件转子的两个轴向侧之间的压力差造成了动态密封件转子的两个轴向侧之间的阻挡液体的径向内自由表面的相对径向移位,从而使用旋转的阻挡液体内的径向压力梯度来补偿该压差,使得与高压侧上的阻挡流体的自由表面相比,低压侧上的阻挡液体的自由表面将处于距转子轴线更小的半径处。为了在阻挡液体内形成所需的径向压力梯度,或者动态密封件阻挡流体腔可以绕转子轴线旋转,或者动态密封件转子可以绕转子轴线旋转。这种类型的动态密封件可以以非常高的速度操作并可以在保持气密密封的同时适应动态密封件阻挡流体腔与动态密封件转子之间的相对较大量的未对准以及径向移动和轴向移动。这种类型的动态密封件不磨损,但不幸的是,在不旋转的情况下它们不密封,这意味着在转子减慢或停止时没有其它保持密封的措施,每当转子起动时转子壳体内的部分真空将需要重新抽真空,并且这会使得起动过程慢得多并且更浪费能量以及使得需要更大的真空泵。
[0422] 用于本发明的转子的动态转子真空密封件可以与在低速下提供更好的密封并且在速度和离心力增大时停止起作用的二级密封件组合,这种二级密封件的优选示例是:在经受足够的向心加速度时变形从而失去密封接触的附接至转子的聚合物唇形密封件、磁场抵抗气体压力保持含有磁性颗粒的液体就位的磁性流体密封件。
[0423] 能够通过液体阻挡密封件保持的真空水平会随阻挡流体变得越热而受到阻挡液体的沸腾限制,因此,有必要在密封件中采用低蒸气压力阻挡液体,例如真空泵润滑油,并且还有必要冷却密封件,并且可以在液体阻挡密封件与转子壳体的内部之间使用低温迷宫式密封件或其它间隙密封件来冷凝和排出在转子真空密封件的低压侧上蒸发的任何阻挡液体。
[0424] 阻挡液体还可以用于润滑一个或多个转子轴承。
[0425] 通常有益的是减少转子真空密封件的摩擦损失,并且一种用于实现减少该摩擦损失的可能的方法是降低转子真空密封件必须密封隔离的压力。这意味着对于许多应用和本发明的热力机的实施方式而言,将优选的是,进入和离开转子的传热流体——可能包括温传热流体、低温传热流体、冷却剂流体和高温加热流体中的一者或更多者——将在与一个或多个转子真空密封件流体相邻的转子入口和/或转子出口处具有静态压力,该静态压力处于比周围环境大气压力明显低的压力下。理想地,转子真空密封件上的静态压力将处于传热流体的蒸气压力或刚好高于传热流体的蒸气压力。
[0426] 这可以通过将上述液态传热流体密封在与大气或其它外部压力源隔离的传热流体循环系统内来实现。优选地将传热流体循环系统连接至穿过一个或多个转子真空密封件的中央部的转子传热流体入口和出口,然后将传热流体循环系统抽真空以移除气体和蒸气直到系统中仅存的蒸气就是传热流体本身的气态形式。这样做时,通常将在传热流体循环系统内的某处形成液态形式的传热流体与气态形式的传热流体之间的“自由表面”界限。该方面的示例将是部分填充的传热流体储存罐中的液体的大致平坦的顶表面,其上有气态形式的传热流体。使用这种方法,转子真空密封件承受的压差可降低至大气压力的一小部分,并且在或者具有低转子速度或者具有低传热流体蒸气压力的某些情况下,可能转子真空密封件不再需要将转子风阻降低至可接受的水平。
[0427] 在这种低静压传热流体系统中,优选的是,与任何转子真空密封件相邻的区域通过泵或通过重力排流至传热流体储存罐以防止否则可能淹没或污染密封件的任何流体的积累。循环系统中的泵可能需要将传热流体以所需的流量传送至转子入口。
[0428] 将转子真空密封件的高压侧上的传热流体的静态压力降低至简单且小型的单级磁性流体密封件的通常为0.2bar压力限制以下可以允许使用单级磁性流体密封件,并因此具有低摩擦损失。有利地,0.2bar是水在60℃的蒸气压力,60℃通常为供家用所需的温度的上限,但还存在具有远低于水的蒸气压力的许多其它可能的传热流体,例如各种真空油,但很少具有水的有用的属性组合,这些属性包括低成本、非毒性、相对较低的粘度、高比热和在高温下抗气体引发的分解。
[0429] 即使在当不操作时不完全密封的转子真空密封件例如动态密封件或排出密封件或者在操作期间有一些泄漏的唇形密封件的情况下,将传热流体保持在等于其蒸气压力的相对较低的静态压力下极大地减小了排空转子壳体以及使蒸气返回至传热流体循环系统以将风阻降低至可接受的水平所需的真空泵送能量的量。
[0430] 另一优选选择是使用共晶或接近共晶成分的液态钠钾(NaK)合金作为传热流体。该传热流体具有赋予其杰出的传热特性的非常高的热导率和低粘度的有用组合。该传热流体还具有将在许多情况下完全消除对转子真空密封件的需要的非常低的蒸气压。该传热流体在转子壳体内的高温辐射器或接收器表面上也将不会分解成不想要的气体,并且有用地,该传热流体还具有261K的熔化温度,从而使其成为对于大范围的热泵应用而言合适的低温传热流体。该传热流体还可以很好地作为温热传热流体、冷却剂流体或高温加热流体来工作。NaK的使用可以更好地实现在制造期间初始排空之后不需要真空泵的永久密封的转子系统,但存在由其高水平的化学反应性引发的危险和材料问题。
[0431] 锂在升高的温度下也具有低蒸气压力,但由于其相对较高的熔化温度其通常仅适于用作高温加热流体。
[0432] 转子轴承和轴承座
[0433] 支承转子的转子轴承优选地在以高转子角速度可靠地操作延长的时期时具有低轴承摩擦损失。对于可移动的应用而言,转子轴承还可能需要承受大的回转反作用力。优选的是,在大多数情况下,转子轴承或者是滚动元件轴承或者是液体动压轴承。滚动元件轴承通常比液体动压轴承具有更低的摩擦损失,但液体动压轴承可以在高速下具有更大的可靠性和更长的寿命。液体动压轴颈轴承还可以包括可以减少轴承摩擦并降低径向刚度的位于内轴承表面与外轴承表面之间的通常被称为浮动环的中间圆筒形衬套。液体动压转子轴承还可以与各种类型的转子真空密封件有利地组合并利用液体动压轴承润滑剂作为转子真空密封阻挡液体。
[0434] 在优选的构型中,或者是滚动元件轴承或者是液体动压轴颈轴承的转子轴承将位于转子的每个端部处以提供宽间隔的支承,宽间隔的支承能够更好地承受转子轴承上的转子惯性力。传热流体可以流过或可以不流过转子轴承的内直径以进入和/或离开转子。如果传热流体不流过轴承的内直径,则转子轴承可以是具有较低的摩擦损失和较长寿命的较小的直径的,但是则可能需要额外的旋转密封件来将转子轴承与传热流体隔离,这种密封件在轴承通过传热流体润滑的情况下可以被省略,并且在这种情况下,陶瓷滚动元件轴承特别好地适合于通过很好地过滤的传热流体如水或醇来润滑。
[0435] 优选的是,仅单个转子轴承结合有抵抗来自转子的轴向载荷的能力,以便不在两个转子轴承中都产生不必要的轴向轴承载荷。
[0436] 在用于固定应用中的转子的另一优选构型中,转子轴线可以竖向地对准使得单个转子轴承由此可以在转子的顶端处使用,从而使转子悬吊在正下方。这在利用高温加热流体来使热能进入到转子中时可以是特别有利的,因为这可以使得能够使转子的在高温下的一个端部没有轴承要保持冷却。
[0437] 转子轴承通常将安装在转子壳体内的转子轴承座中或作为从转子壳体伸出的延伸部。
[0438] 自动平衡器
[0439] 转子以及转子容纳的所有流体的质心可以由于多种因素而随时间推移以及转子速度的变化远离转子轴线略微转移,这些因素例如为:变化的流体密度、流体流路的可变的填充、流体流路中碎屑的累积、流体通路和高温部件的侵蚀或腐蚀、弹性变形或热变形、部件的塑性变形、外物入侵和损坏、从聚合物材料脱气、以及因设计和/或制造变化导致的转子不对称。这种转子不平衡可以导致对轴承寿命和轴承摩擦都有害的高转子支承力。为此,优选的是,用于转子的转子轴承或转子轴承座具有相对较低的径向刚度并且转子以高于转子质量在低刚度径向轴承或转子轴承座中的径向振荡的第一固有频率的速度运转,使得转子具有绕从转子轴线朝向转子的质心移动的旋转轴线旋转的趋势。另外,优选的是,一个或更多个自动平衡器并入在转子内使得当以高于径向振荡的第一固有频率的速度运转时,自动平衡器在其本身内以趋向于使转子的质心重新与转子轴线一致地对准的方式来重新分布质量,从而减小转子轴承和转子真空密封件的径向振荡。
[0440] 自动平衡器将优选地由多个相同的滚子构成,所述多个相同的滚子部分地填充绕转子轴线的回转腔的圆周。另外,可以存在部分地填充回转腔的一些类型的粘性流体以在转子角加速度期间迅速减小滚子与转子之间的角速度差。如果转子内存在单个自动平衡器,则自动平衡器滚子的质心优选地在垂直于转子轴线的与转子质心相同的平面中,但如果在转子内存在多个自动平衡器,则优选的是转子质心轴向地位于多个自动平衡器之间。
[0441] 转子马达
[0442] 在几乎所有情况下,本发明的发动机和热泵的转子将需要通过转子马达供以动力以将转子加速至所需的操作速度并且克服与转子风阻、轴承和转子真空密封件以及由转子对离开转子的传热流体进行的任何流体泵送相关联的摩擦损失,其中,由转子对离开转子的传热流体进行的流体泵送使离开转子的传热流体在沿转子旋转的方向的角动量上与其进入转子时的角动量相比具有净增加。优选的是,转子马达被供电使得转子速度可以被容易地控制。马达还能够操作为发电机以在转子减慢时将旋转动能转化成电力。
[0443] 优选的是,转子马达是直接驱动的,其中,马达的旋转部分(马达转子)附接至转子,并且优选的是转子位于部分抽真空的转子壳体内以减小与马达相关联的风阻损失以及允许马达是大直径的,从而降低马达转子的重量。轴向磁通类型的马达是优选的,因为其减小沿径向方向作用的磁力的大小,该磁力可能扰乱径向柔性转子轴承座并因此可能干扰自动平衡器的操作。永磁体转子马达因其通常将具有较高的效率而是优选的。
[0444] 旋转电耦合器
[0445] 对于本发明的包含动力涡轮的发动机以及本发明的采用工作流体压缩机的热泵,必须在转子与外部电载荷或电源之间传输电力,并且这通过旋转电耦合器实现。针对该旋转电耦合器存在两个主要优选的构型:旋转感应耦合器和液态金属旋转电耦合器。次优的选择是接触式电滑环,是因为接触式电滑环通常遭受磨损。
[0446] 旋转感应耦合器
[0447] 用于在转子与转子之外的感应耦合定子之间传输电力的目的的旋转感应耦合器用作电力变压器并且在转子与感应耦合定子之间的磁通路径中具有空气间隙。不存在磨损件,高电力传输效率是可能的并且电压在电力传输过程期间可以有效地改变。
[0448] 旋转感应耦合器对旋转部件与固定部件之间的磁通间隙两端的相对速度相对敏感,并且因此不需要占用转子的端部附近的靠近转子轴线的位置,流体耦合器和转子轴承最有利地位于该位置处,但旋转感应耦合器可以替代地形成为在相对较大的半径处围绕转子轴线的环。
[0449] 通常将有利的是,利用转子的表面上的磁力的矢量总和大致抵消而仅留下很小的残余磁力的旋转感应耦合器。如果在转子中使用自动平衡器,则还可能重要的是使多数感应耦合磁通空气间隙位于轴向面之间以减小由感应耦合器产生的可能径向磁力的大小。在优选构型中,旋转感应耦合器整合到轴向磁通转子马达中以减小残余径向磁力和轴向磁力。
[0450] 液态金属旋转电耦合器
[0451] 液态金属旋转电耦合器在转子内的电源电路与外部电力源或外部电载荷之间形成至少两个直接的电触头以提供穿过转子的完整的电路。所述至少两个电触头中的每个电触头均形成在转子轴线上的固定环形电极与互补的旋转环形腔之间,环形电极以具有间隙的方式配装在所述互补的旋转环形腔内。一定量的液态金属通过旋转密封件和离心力的某些组合保持在每个旋转环形腔内。存在可以使用的一些具有低熔点的金属合金,例如汞、钠-钾共晶、以及由于其低毒性和相对较低的化学反应性而最优选的各种镓合金。
[0452] 应用
[0453] 本发明的发动机循环的高效率可以使得先前一直不经济的从相对较低温度的热源提取热能变得经济,并且还极大地提高从不同热能的源产生动力的效率。
[0454] 本发明的发动机有诸多应用,这些应用中的一些应用包括:由于其小尺寸下相对较高的效率和寿命长而应用于利用天然气的家用发电;利用来自其它燃烧燃料的发动机的排气、发动机冷却剂或来自工业过程的废热发电;通过地热能发电;通过直接照明的太阳能或通过来自储存的热的太阳能发电;通过小型核热源发电;通过燃烧有机废料或工业废料发电;交通工具推进。
[0455] 这些热泵送循环的非常高的效率以及可能的工作流体的相对较宽的温度范围意味着这些热泵送循环可以被经济地应用来产生非常低的温度和非常高的温度,这对于热泵的应用而言总体上一直是不经济的。
[0456] 本发明的热泵存在大量潜在应用,这些应用中的一些应用包括:既用于制冷又用于加热的家用或工业空气调节;家用或工业用水加热;家用或工业制冷;空气液化或气体分离;提供高于水的沸点的加热用于工业加工或烹调;低温冷却;游泳池加热;车用空调;运输制冷。
[0457] 可以有利的另一步骤是将彼此并联地工作的若干转子组合到单个热泵或发动机中,因为那样的话每个单独的转子可以制造得较小并且具有较短的流动路径,较短的流动路径使用更少量的昂贵的氙气或氪气工作流体来产生给定的能量。
[0458] 对于许多加热和冷却应用,将有可能存储加热的或冷却的流体以便在更大需求的时期使用,并从而潜在地允许热泵更小且更便宜。参照附图对优选实施方式的详细描述[0459] 图1示出了在与转子轴线2重合的平面中的、本发明的电动压缩机驱动的热泵的优选实施方式的横截面图,其中,由大量内部部件构成的转子4在从右侧观察时沿逆时针方向绕转子轴线以转子角速度旋转,转子4支承在高温端转子轴承6和低温端转子轴承8上。高温端转子轴承和低温端转子轴承各自安装在具有相对较低的径向刚度的径向柔顺轴承座10内,并且因此将转子的径向振荡的第一固有频率降低至低于转子的正常操作速度的速度,使得在自动平衡器沟道14——其为在转子内绕转子轴线的回转空腔——内自由滚动的多个自动平衡器滚子12将倾向于重新分布它们本身以使转子的质心与转子轴线重合对准,并且因此减小了高温端转子轴承和低温端转子轴承上的振荡惯性径向力的大小。
[0460] 径向柔顺轴承座支承转子壳体16的轴向端部,转子壳体16在总体形式上为绕转子轴线的回转外壳。电动转子驱动马达18提供用以使转子以期望的转子角速度旋转所需的转子驱动扭矩,并且具有轴向磁通变化——其中,转子上的几乎所有磁力都在平行于转子轴线的轴向方向上——以降低径向柔顺轴承座的不期望的径向偏转。转子壳体提供对外物撞击转子的防护并且还在转子可能碎裂的情况下提供对任何快速移动的碎片的围挡。转子壳体优选地绕转子配装,使得转子与转子的那些近似环形的外表面上的转子壳体之间的间隙使由径向循环的空气漩涡的形成引起的风阻阻力损失大致降低至最小程度。转子壳体排出端口20允许泄漏到或凝结在转子壳体内的任何流体被排除,并且还可以可选地用作控制端口,该控制端口连接至外部压力控制装置(未图示)以允许控制转子壳体内的气压,从而或者通过降低气压来减小风阻损失或者替代性地通过使用转子壳体排出端口增大转子壳体内的气压来防止液体泄漏到转子壳体中。
[0461] 工作流体被气密密封在转子内并且在操作时绕工作流体循环路径循环,从而接连地循环通过以下部分:工作流体径向压缩机22,该工作流体径向压缩机22连接至压缩机马达转子24,压缩机马达转子24通过连接至转子并与转子一起旋转的压缩机马达定子26被驱动以相对于转子旋转;多个压缩通路28,工作流体在其径向向外流动时并行地流动穿过所述多个压缩通路28,从而经受压缩并且温度上升,优选地在工作流体如此经受压缩时很少的热量传递到工作流体中或从工作流体中传递出;工作流体冷却器30,该工作流体冷却器30优选地关于转子轴线对称,工作流体沿大致径向向外的方向流过该工作流体冷却器30,从而经受进一步压缩,同时还通过给予流过工作流体冷却器内的单独的流体通路的相对较冷的温热传热流体的热传递而被冷却;多个膨胀通路32,工作流体在其径向向内流动时并行地流动穿过所述多个膨胀通路32,从而经受膨胀并且温度降低,优选地在工作流体如此经受膨胀时很少的热量传递到工作流体中或从工作流体中传递出;低温工作流体加热器34,低温工作流体加热器34优选地关于转子轴线对称,工作流体沿大致径向向内的方向流动穿过该低温工作流体加热器34,从而经受进一步膨胀,同时还通过来自流动穿过工作流体加热器内的单独的流体通路的相对较热的低温传热流体的热传递被加热;工作流体然后径向向内流动穿过多个压缩机进口通路36以到达工作流体径向压缩机22,从而在工作流体循环路径内完成一系列的热力过程。
[0462] 压缩机马达转子24绕转子轴线旋转以使气体润滑的压缩机轴承38上的径向载荷最小化。还结合有轴向压缩机轴承40以适应由工作流体压缩机出口上的较高的压力导致的作用在压缩机马达转子上的轴向载荷。在转子内使用径向压缩机具有若干显著优势:径向压缩机是一种机械结构简单并且高效的压缩机形式,该压缩机不受磨损,该压缩机可以以独立于转子角速度的旋转速度运行,从而使得可以使所需的泵送功率与热泵温度差匹配,以及允许压缩机的总体直径减小使得即使当工作流体处于升高的压力和密度下时压缩机叶片仍不会短到令人无法接受,从而减小热交换器和工作流体流动通路的尺寸,并且因此减小转子的尺寸和所需的昂贵的工作流体的量。压缩机马达定子由通过液态金属旋转电耦合器42连接至转子的外部电源供电。
[0463] 温热传热流体通过转子温热传热流体入口44进入转子,该转子温热传热流体入口44相对于转子温热传热流体出口46位于径向内部,转子温热传热流体出口46操作为离心泵的推进器,其排放到附接至转子壳体的温热传热流体出口径向扩散器48中并从温热传热流体出口径向扩散器48流动至温热传热流体出口50,从而驱动温热传热流体穿过转子和在转子外的热交换器(未图示)的循环,该热交换器使温热传热流体冷却。温热传热流体由于离心热虹吸的效果而在转子内经历微小的压力增益,并且这有助于减小使温热传热流体循环所需的泵送功率。在转子内,温热传热流体并行地流动穿过温热传热流体向外流动通路52到达工作流体冷却器,温热传热流体随后在工作流体冷却器中并行地流动穿过大量工作流体冷却器管54,所述大量工作流体冷却器管54优选地大体平行于转子轴线并且遍及工作流体所流动穿过的工作流体冷却器中的轴向间隔的一排大致环形的散热片分布。在其已经流动穿过工作流体冷却器之后,高温工作流体通过多个温热传热流体向内流动通路56流回至转子温热传热流体出口。
[0464] 低温传热流体通过转子低温传热流体入口58进入转子,转子低温传热流体入口58位于转子低温传热流体出口60的径向内部,转子低温传热流体出口60操作为离心泵的推进器,其排放到附接至转子壳体的低温传热流体出口扩散器62中并从低温传热流体出口扩散器62流动至低温传热流体出口64,从而驱动低温传热流体穿过转子和转子外的使低温传热流体升温的热交换器(未图示)的循环。低温传热流体由于其对抗离心热虹吸运作而在转子内经受微小的压力损失,并且这会增大使低温传热流体循环所需的泵送功率,不过该效果通过工作流体加热器在径向上接近转子轴线而有所减轻。在转子内,低温传热流体并行地流动穿过低温传热流体向外流动通路66到达低温工作流体加热器,低温传热流体随后在低温工作流体加热器中并行地流动穿过大量工作流体加热器管68,所述大量工作流体加热器管68优选地大体平行于转子轴线并且遍及工作流体从中流动穿过的低温工作流体加热器中的轴向间隔开的一排大致环形的散热片分布。在其已经流动穿过低温工作流体加热器之后,低温工作流体通过多个低温传热流体向内流动通路70流回至转子低温传热流体出口。
[0465] 在转子内利用绝缘间隙72来限制温度明显不同的部件之间的热传递从而提高热泵的效率。
[0466] 在流体跨越很大的径向跨度流动的内部转子容积内,存在径向阻挡物使得内部转子容积不存在具有很大径向延伸的绕转子轴线的回转空腔。这防止了在流体沿径向方向流动时产生大的切向流体速度以及与流体内的科里奥利效应相关联的流动损失。工作流体冷却器和低温工作流体加热器两者在大量环形散热片之间结合这种径向阻挡物74以在工作流体穿过工作流体冷却器和低温工作流体加热器时防止工作流体中的大的切向速度,不过在该优选实施方式中,径向阻挡物在垂直于转子轴线的平面中总体形状呈螺旋形,如图4中进一步示出的。
[0467] 图2示出了图1的液态金属旋转电耦合器42在与转子轴线2重合的平面中的放大横截面图。电流通过与转子轴线2同轴的固定电极圆盘76流至转子和从转子流出,每个固定电极圆盘均附接至外部电源(未图示)的一个端子,并且另外隔离以免彼此接触。固定电极圆盘以其径向最外侧区域浸在单独的环形液态金属池78中,每个环形液态金属池均通过两个单独的转子电极腔80的径向最外侧区域处的离心反作用力保持就位,所述两个单独的转子电极腔80为转子的一部分并且总体形式为绕转子轴线的回转空腔。这些环形液态金属池由此提供固定电极圆盘与它们各自的旋转转子电极腔之间的平顺滑动和无磨损电接触。电流通过转子内的电流引导路径从一个转子电极腔流至另一个转子电极腔,电流引导路径将电力传输至压缩机马达定子以驱动压缩机马达。液态金属旋转电耦合器密封件82限制液态金属至周围环境的泄漏,并且液态金属优选地为低熔点金属,如水或含有镓的合金或钠钾合金。
[0468] 图3示出了图1的转子低温传热流体出口60在与转子轴线2重合的平面中的放大的横截面图,其示出了转子低温传热流体出口在径向上位于转子低温传热流体入口58外部并且形成排放到附接至转子壳体16的低温传热流体出口扩散器62中的离心泵的推进器的方式,图3还示出了低温端转子轴承8的径向柔顺轴承座10,该径向柔顺轴承座10在该优选实施方式中由插置在转子壳体与低温端转子轴承之间的柔性聚合物元件形成。
[0469] 图4示出了工作流体加热器和/或工作流体冷却器的优选实施方式的细节,该工作流体加热器和/或工作流体冷却器比如在图1的热泵中使用,还可以在本发明的其它热泵和发动机中使用,并且作为在工作流体与温热传热流体或低温传热流体或冷却剂流体或高温加热流体之间传热的热交换器操作。来自完整的热交换器的四个轴向散热片层84被示出为从呈轴向分解形式的两个散热片层的组成部件轴向地移离。热交换器在总体形式上为绕转子轴线86的圆筒形回转体,该圆筒形回转体被多个工作流体流动通路88贯通,所述多个工作流体流动通路88连接热交换器的内直径和外直径并且排列成关于转子轴线旋转对称且沿转子轴线直线排列。工作流体流动通路各自在总体形式上为沿其长度具有相对恒定的横截面流动面积的、围绕转子轴线的平面螺旋状物,但每个通路的横截面流动面积在被确定为优选的情况下还可以通过更改螺距和半径而沿着长度改变。工作流体流动通路各自与其相应的最近的周向相邻的工作流体流动通路通过螺旋形指状部90分隔开,该螺旋形指状部90在每个连续的层中轴向地对准以形成沿着热交换器的长度的轴向堆叠体,从而与桥接在周向相邻的螺旋形指状部之间的散热片一起形成与每个螺旋形指状部相关联的在热交换器的轴向方向上的材料连续体。螺旋形指状部被轴向流体通路92沿轴向方向贯穿,温热传热流体或低温传热流体或冷却剂流体或高温加热流体沿轴向方向以与工作流体流体隔离的方式流动穿过该轴向流体通路92。在图4的优选实施方式中,热交换器由与螺旋形指状部96堆叠成交替的层并结合在一起而形成实体块的薄环形盘94构成。螺旋形指状部可以具有不同的至环形盘的厚度以提高工作流体加热器或冷却器的强度或传热性能。可选地,还存在插入穿过每个轴向流体通路并结合在轴向流体通路内的轴向管98,用以更好地密封该通路以防去往或来自工作流体流动通路的流体泄漏。
[0470] 在构造的优选方法中,环形盘和螺旋形指状部通过从金属片给料中切出它们而形成,金属片给料优选地主要为铝或铜合金,原因在于铝或铜合金的热导率高,但对于某些应用而言,其它材料可以是优选的。还优选的是,螺旋形指状部或次优选地环形盘或者螺旋形指状部和环形盘两者在两侧面上具有钎焊金属或合金表面涂层,其中,钎焊金属或合金表面涂层的熔化温度低于金属片供料的熔化温度。该钎焊表面涂层可以在金属片供料被切割以形成螺旋形指状部和/或环形盘之前或之后施加至金属片供料。为了形成完成的工作流体加热器或冷却器,组成部件被夹在一起成为正确对准的轴向堆叠体,然后在施加轴向压力的同时加热以允许钎焊金属或合金熔化并流动从而将所有部件结合在一起成为刚性组件。可以预料,在许多情况下,钎焊过程将提供阻挡物壁指状部与环形盘之间的足够完美的结合,以至于轴向流体通路将会被密封且将不需要任何进一步的处理就能容纳低温传热流体或其它冷却剂和/或加热流体,然而,在某些情况下可能有必要或者采用钎焊或以其它方式结合在轴向流体通路内的附加的轴向管或者采用将内部金属镀层或其它密封剂或涂层施加至轴向流体通路来提高部件的整体性以免进出工作流体的流体泄漏。
[0471] 这种构造形式具有许多优点:这种构造是一种刚性且坚固的结构,该结构可以在相对较小的容积中具有非常大的传热表面面积,在给定的环形容积内修改工作流体流动通路的长度、宽度及厚度以优化热传递属性是相对简单的,材料相对较便宜,并且构造的方法相对较易于实现自动化,钎焊至环形盘的螺旋形指状部在轴向流体通路的否则会变得薄弱的部位周围对环形盘进行加强并且还有助于提高轴向流体通路周围的导热率,在外直径上的轴向连续的平坦面100也可以任选地在内直径上复制并且提供用于在转子内处置和安装热交换器的坚固位置而不会损坏相对脆弱的薄散热片,散热片以其在垂直于转子轴线弯曲时最弱的最薄尺寸对齐并因此更不容易受到由旋转转子内的向心加速度造成的偏转或变形的影响。采用总体形状为平面螺旋形的工作流体流动通路是有益的,因为这样有助于最小化工作流体与加温流体或冷却剂流体之间的平均距离,并由此有益地有助于减少它们之间的温差。
[0472] 图5示出了工作流体加热器和/或工作流体冷却器的优选实施方式的细节,该工作流体加热器和/或工作流体冷却器比如在图1的热泵中使用,还可以在本发明的其它热泵和发动机中使用,并且作为在工作流体与温热传热流体或低温传热流体或冷却剂流体或高温加热流体之间传热的热交换器操作。图5的优选实施方式类似于图4的优选实施方式,但在一些结构的细节上不同。来自完整的热交换器的八个轴向散热片层102被示出为从呈轴向分解形式的四个散热片层的组成部件轴向地移离。该热交换器在总体形式上为绕转子轴线104的圆筒形回转体,该圆筒形回转体被多个工作流体流动通路106贯通,所述多个工作流体流动通路106连接热交换器的内直径和外直径并且排列成关于转子轴线旋转对称且沿转子轴线直线排列。工作流体流动通路各自在总体形式上为沿其长度具有相对恒定的横截面流动面积的、围绕转子轴线的平面螺旋状物,但每个通路的横截面流动面积在被确定为优选的情况下还可以通过更改螺距和半径而沿着长度改变。
[0473] 热交换器的每个轴向层中的工作流体流动通路位于对称地周向排列的螺旋形散热片108之间,螺旋形散热片108分别与它们各自最近的周向相邻的螺旋形散热片分隔形成工作流体流动通路的空间。螺旋形散热片的相继的轴向层110旋转地移位使得沿着它们的侧向边缘每个螺旋形散热片均在每个轴向面上与两个轴向相邻的螺旋形散热片重叠和接触,从而形成与螺旋形散热片的相继的轴向层之间的轴向散热片重叠区域相关联的轴向方向上的材料连续体。
[0474] 该轴向散热片重叠区域被轴向流体通路112沿轴向方向贯穿,温热传热流体或低温传热流体或冷却剂流体或高温加热流体沿轴向方向以与工作流体流体隔离的方式流动穿过该轴向流体通路112。还存在插入穿过每个轴向流体通路并结合在轴向流体通路内的轴向管114,用以更好地密封该通路以防去往或来自工作流体流动通路的流体泄漏。
[0475] 在构造的优选方法中,螺旋形散热片通过从金属片给料中切出它们而形成,金属片给料优选地主要为铝或铜合金,原因在于铝或铜合金的热导率高,但对于某些应用而言,其它材料可以是优选的。还优选的是,这些螺旋形散热片在每个螺旋形散热片的一个轴向侧面或两个轴向侧面上且至少在与轴向相邻的螺旋形散热片轴向接触的区域中具有钎焊金属或合金表面涂层,其中,钎焊金属或合金表面涂层的熔化温度低于金属片供料的熔化温度。该钎焊表面涂层可以在金属片供料被切割以形成螺旋形散热片之前或之后施加至金属片供料。为了形成完成的工作流体加热器或冷却器,组成部件被夹在一起成为正确对准的轴向堆叠体,然后在施加轴向压力的同时加热以允许钎焊金属或合金熔化并流动从而将所有部件结合在一起成为刚性组件。可以预料,在许多情况下,钎焊过程将提供螺旋形散热片之间的足够完美的结合,以至于轴向流体通路将会被密封且将不需要任何进一步的处理就能容纳低温传热流体或其它冷却剂和/或加热流体,然而,在某些情况下可能有必要或者采用钎焊或以其它方式结合在轴向流体通路内的附加的轴向管或者采用将内部金属镀层或其它密封剂或涂层施加至轴向流体通路来提高部件的整体性以免进出工作流体的流体泄漏。
[0476] 这种构造形式具有许多优点:这种构造是一种刚性且坚固的结构,该结构可以在相对较小的容积中具有非常大的传热表面面积,在给定的环形容积内修改工作流体流动通路的长度、宽度及厚度以优化热传递属性是相对简单的,材料相对较便宜,并且构造的方法相对较易于实现自动化,螺旋形散热片之间钎焊的搭接有助于在轴向流体通路的否则会变得薄弱的部位周围对其进行加强并且还有助于提高轴向流体通路周围的导热率,在外直径上的轴向连续的平坦面116也可以任选地在内直径上复制并且提供用于在转子内处置和安装热交换器的坚固位置而不会损坏相对脆弱的薄散热片,散热片以其在垂直于转子轴线弯曲时最弱的最薄尺寸对齐并因此更不容易受到由旋转转子内的向心加速度造成的偏转或变形的影响。采用总体形状为平面螺旋形的工作流体流动通路是有益的,因为这样有助于最小化工作流体与加温流体或冷却剂流体之间的平均距离,并由此有益地有助于减少它们之间的温差。
[0477] 相较于图4的优选实施方式,图5的优选实施方式具有只需要制造单一类型的翅片部件的优点以及具有散热片与工作流体流动通路厚度相同的潜在缺点,但该潜在缺点可以通过制造厚度在其整个宽度上变化的螺旋形散热片来克服。
[0478] 图6是为清楚起见省去了许多细节和一些部件的本发明的热泵的简化的流程图和截面图,并且图6示出了与图1至图3中的热泵类似的热泵内的流体流动的总体构型,其中,优选地主要为包括氙气、氪气和氩气的名单中的一者或更多者的工作流体绕转子118内的气密密封的工作流体循环路径循环,转子118通过动态式的工作流体压缩机122绕转子轴线120旋转,工作流体压缩机122比如为具有推进器的轴流式压缩机或径流式压缩机,该压缩机优选地绕与转子轴线一致的轴线旋转以使压缩机支承载荷最小化,并且该压缩机由压缩机马达124驱动,压缩机马达124在转子内并且通过旋转电耦合器(未图示)向其传送电力,其中,旋转电耦合器或者利用电磁感应来传输电力或者替代性地使用滑环或液态金属旋转耦合器。工作流体从压缩机径向向外流动穿过压缩通路126,从而由于转子向心加速度作用在工作流体上而经历压缩并加热,优选地进出工作流体的热传递很少。工作流体然后径向向外流过工作流体冷却器128,即热交换器,在该热交换器中,工作流体通过向温热传热流体热传递而被冷却而同时在优选地接近等温压缩过程的过程中进行进一步压缩。工作流体然后径向向内流过膨胀通路130从而由于转子向心加速度作用在工作流体上而以经历膨胀并冷却。工作流体然后径向向内流过低温工作流体加热器132,即热交换器,在该热交换器中,工作流体由于来自低温传热流体的热传递而被加热而同时在优选地接近等温膨胀过程的过程中进行进一步膨胀。工作流体从低温工作流体加热器回流到压缩机从而完成工作流体循环路径。
[0479] 温热传热流体和低温传热流体两者经由在转子的每个端部处的转子轴线上的液力耦合器进入和离开转子。温热传热流体在转子外部在转子外冷却器134中被冷却,温热传热流体在转子外冷却器134中可以被用于加热的目的并将热量传递到散热流体136,散热流体136在大多数情况下将是空气、水或醇,并因此可以用于加热的目的。温热传热流体然后穿过温热传热流体泵138和温热传热流体过滤器140以在温热传热流体重新进入转子之前除去碎屑。在一些情况下,可以不需要温热传热流体泵,因为有可能完全依靠转子内的离心热虹吸来产生使温热传热流体循环所需的压力增益,或泵可以被整合到转子的温热传热出口的转子液力耦合器中用作离心泵。过滤器可能并非总是必要的,并且温热传热流体可以简单地从大的贮存器供给,而不是通过与另一散热流体热传递来冷却。低温传热流体在转子外部在转子外加热器142中被加热,低温传热流体在转子外加热器142中可以被用于冷却的目的并且从散热流体144吸收热量,散热流体144在大多数情况下将是空气、水或醇。低温传热流体然后穿过低温传热流体泵146和低温传热流体过滤器148以在低温传热流体重新进入转子之前除去碎屑。在一些情况下,泵可以被整合到转子的低温传热出口的转子液力耦合器中用作离心泵。过滤器可能并非总是必要的,并且低温传热流体可以简单地从大的贮存器供给,而不通过与另一散热流体的热传递来升温。
[0480] 转子由未图示的马达供以动力以在转子壳体150内的也未示出的转子轴承上旋转。在两个轴向端部处的转子真空密封件152允许转子与转子壳体之间的空间通过真空泵154部分地抽真空,真空泵154将空气从该转子壳体内抽出以减少转子的空气摩擦(风阻)损失。转子真空密封件允许温热传热流体和低温传热流体以与转子壳体的抽真空的内部流体隔离的方式流通进出转子。然而,在主要采用氙气或可能采用氪气作为工作流体的热泵转子允许的相对较低的转子速度和紧凑的尺寸的情况下,转子风阻损失可以低到足以使得可不需要转子真空密封件和真空泵,并且转子壳体有可能在这种情况下可以省略,即便转子壳体在安全和可能减小风阻方面提供了一些优点。
[0481] 图7是为清楚起见省去了许多细节和一些部件的本发明的热泵的简化的流程图和截面图,并且图7示出了利用离心热虹吸来产生通过热泵送过程使工作流体循环所需的压力增益的热泵内的流体流动的总体构型,工作流体优选地主要为包括氙气、氪气和氩气的名单中的一者或更多者。工作流体绕转子156内的气密密封的工作流体循环路径循环,转子156在未图示的转子轴承上绕转子轴线158旋转,转子156由也未图示并在转子壳体160内的转子马达驱动,转子壳体160通过真空泵162部分地抽真空以将转子风阻降至低值。转子真空密封件164在转子的每个轴向端部处提供旋转转子与转子壳体之间的旋转密封,通过该密封,流体可以以与转子和转子壳体之间的部分抽真空的空间流体隔离的方式进入和离开转子。
[0482] 工作流体在气密密封的工作流体循环路径内径向向外流动穿过压缩通路166,从而由于转子向心加速度作用在工作流体上而经受压缩并进行加热,同时优选地进出工作流体的热传递很少。工作流体然后流动穿过在转子的最大半径处或在转子的最大半径附近的高温工作流体加热器168,热量主要通过转子壳体内的高温辐射器170的辐射转移至高温工作流体加热器,高温辐射器170利用来自外部能量源172的能量,其中,外部能源172是来自包括燃烧燃料、核热源、太阳能、电的名单的一者或更多者。在高温工作流体加热器内加至工作流体的多数热能优选地在工作流体沿大致径向向内的方向行进时被添加,以使作用在工作流体上的离心热虹吸将在转子正在旋转的同时沿期望的方向启动和维持工作流体循环。
[0483] 工作流体然后径向向内流动穿过膨胀通路174,从而由于转子向心加速度作用在工作流体上而经历膨胀并冷却。工作流体然后径向向外流过工作流体冷却器176,即热交换器,在该热交换器中,工作流体通过向温热传热流体热传递而被冷却而同时在优选地接近等温压缩过程的过程中进行进一步压缩。工作流体然后径向向内流过膨胀通路178从而由于转子向心加速度作用在工作流体上而以经历膨胀并冷却。工作流体然后径向向内流过低温工作流体加热器180,即热交换器,在该热交换器中,工作流体由于来自低温传热流体的热传递而被加热而同时在优选地接近等温膨胀过程的过程中进行进一步膨胀。工作流体然后回流到通向高温工作流体加热器的压缩通路从而完成工作流体循环路径。
[0484] 温热传热流体和低温传热流体两者经由在转子的每个端部处的转子轴线上的液力耦合器进入和离开转子。温热传热流体在转子外部在转子外冷却器182中被冷却,温热传热流体在转子外冷却器182中可以被用于加热的目的并将热量传递到散热流体184,散热流体184在大多数情况下将是空气、水或醇。温热传热流体然后穿过温热传热流体泵186和温热传热流体过滤器188以在温热传热流体重新进入转子之前除去碎屑。在一些情况下,可以不需要温热传热流体泵,因为有可能完全依靠转子内的温热传热流体内的离心热虹吸来产生使温热传热流体循环所需的压力增益,或泵可以被整合到转子的温热传热出口的转子液力耦合器中用作由转子马达供以动力的离心泵。过滤器可能并非总是必要的,并且温热传热流体可以简单地从大的贮存器供给,而不是通过与另一散热流体热传递来冷却。
[0485] 低温传热流体在转子外部在转子外加热器190中被加热,低温传热流体在转子外加热器190中可以被用于冷却的目的并且从散热流体192吸收热量,散热流体192在大多数情况下将是空气、水或醇。低温传热流体然后穿过低温传热流体泵194和低温传热流体过滤器196以在低温传热流体重新进入转子之前除去碎屑。在一些情况下,泵可以被整合到转子的低温传热出口的转子液力耦合器中用作离心泵。
[0486] 过滤器可能并非总是必要的,并且低温传热流体可以简单地从大的贮存器供给,而不是通过与另一散热流体的热传递来升温。
[0487] 热泵的这种构型是非常有利的,因为该热泵可以利用热形式的相对较便宜的能量来源,从而以可能远低于使用更昂贵的电力或其它机械动力来驱动采用马达驱动的压缩机的热泵时产生的成本的成本提供有用的冷却或加热。
[0488] 图8是为清楚起见省去了许多细节和一些部件的本发明的热泵的简化的流程图和截面图,并且图8示出了热泵内的流体流动的总体构型,该热泵利用离心热虹吸或压缩机或这二者来产生使工作流体循环通过热泵循环所需的压力增益并且利用在外部加热的高温加热流体来提供驱动工作流体离心热虹吸的热能。工作流体绕转子198内的气密密封的工作流体循环路径循环,转子198在未图示的转子轴承上绕转子轴线200旋转,转子198由也未图示并在转子壳体202内的转子马达驱动,转子壳体202通过真空泵204部分地抽真空以将转子风阻降至低值。转子真空密封件206在转子的每个轴向端部处提供旋转转子与转子壳体之间的旋转密封,通过该密封,流体可以以与转子和转子壳体之间的部分抽真空的空间流体隔离的方式进入和离开转子。
[0489] 优选地主要为包括氙气、氪气和氩气的名单中的一者或更多者的工作流体绕转子内的气密密封的工作流体循环路径循环。工作流体径向向外流动穿过压缩通路208,从而由于转子向心加速度作用在工作流体上而经受压缩并进行加热,同时优选地进出工作流体的热传递很少。工作流体然后径向向外流过工作流体冷却器210,即热交换器,在该热交换器中工作流体通过传向温热传热流体的热传递而被冷却,同时在优选地接近等温压缩过程的过程中经历进一步压缩。工作流体然后在转子的最大半径处或转子的最大半径附近流过高温热交换器212,在高温热交换器212中,工作流体被高温加热流体流加热,该高温热交换器优选地是逆流热交换器以对于给定的高温加热流体的转子入口温度而言尽可能多地提高工作流体的温度。工作流体然后径向向内流动穿过膨胀通路214,从而由于转子向心加速度作用在工作流体上而进行膨胀并冷却。工作流体然后径向向内流过低温工作流体加热器216,即热交换器,在该热交换器中工作流体被来自低温传热流体的热传递加热,同时在优选地接近等温膨胀过程的过程中经历进一步膨胀。为了完成工作流体循环路径,工作流体然后通过动态式的工作流体压缩机218,工作流体压缩机218比如为具有推进器的轴流式压缩机或径流式压缩机,该压缩机优选地绕与转子轴线一致的轴线旋转以使压缩机支承载荷最小化。该压缩机由压缩机马达220驱动,压缩机马达220在转子内并且通过利用电磁感应或者替代性地利用滑环或液态金属旋转耦合器的旋转电耦合器(未图示)向其传送电力。
[0490] 温热传热流体和低温传热流体两者经由在转子的每个端部处的转子轴线上的液力耦合器进入和离开转子,另外,优选地,高温加热流体也与温热传热流体在相同的端部进入和离开转子。温热传热流体在转子外部在转子外冷却器222中被冷却,温热传热流体在转子外冷却器222中可以被用于加热的目的并将热量传递到散热流体224,散热流体224在大多数情况下将是空气、水或醇。温热传热流体然后穿过温热传热流体泵226和温热传热流体过滤器228以在温热传热流体重新进入转子之前除去碎屑。在一些情况下,可以不需要温热传热流体泵,因为有可能完全依靠转子内的温热传热流体内的离心热虹吸来产生使温热传热流体循环所需的压力增益,或泵可以被整合到转子的温热传热出口的转子液力耦合器中用作由转子马达供以动力的离心泵。过滤器可能并非总是必要的,并且温热传热流体可以简单地从大的贮存器供给,而不是通过与另一散热流体热传递来冷却。低温传热流体在转子外部在转子外加热器230中被加热,低温传热流体在转子外加热器230中可以被用于冷却的目的并且从散热流体232吸收热量,散热流体232在大多数情况下将是空气、水或醇。低温传热流体然后穿过低温传热流体泵234和低温传热流体过滤器236以在低温传热流体重新进入转子之前除去碎屑。在一些情况下,泵可以被整合到转子的低温传热出口的转子液力耦合器中用作离心泵。过滤器可能并非总是必要的,并且低温传热流体可以简单地从大的贮存器供给,而不是通过与另一散热流体的热传递来升温。高温加热流体在转子外部在外部高温加热器238中通过热源加热,热源的示例可以包括:地热、太阳能热、发动机排气的热、发动机冷却剂、核热或燃料的燃烧。高温加热流体由高温加热流体泵240泵送以克服转子内的高温加热流体的离心热虹吸的阻滞压力,并且高温加热流体在进入转子之前被高温加热流体过滤器242过滤,但该过滤器可以并非总是必要的,并且高温加热流体泵有可能可以整合为位于转子高温加热流体出口内的动力泵。存在可以构成高温加热流体的诸多流体。在高温下,液态碱金属或离子化合物是优选的高温加热流体,而碳氢化合物或水对于低温是优选的,也可使用气态高温加热流体,其中空气、氢气和氦气是优选的示例。
[0491] 如果通过由工作流体冷却器和高温热交换器的相互作用产生的离心热虹吸提供的压力增益足以操作具有所需温度差的热泵,那么压缩机在某些情况下可以省略。如果配装有压缩机,则在大多数情况下例如在起动期间或当所需的热泵温差大于能够由离心热虹吸单独驱动的热泵温差的其它时期压缩机将优选地以补充由离心热虹吸提供的压力增益的方式进行操作。这是因为在许多情况下,由高温加热流体供给的热能将会远比使用供给至压缩机的电力实现同样的泵送效果更便宜,但在需要时,压缩机可以有用地提高性能。
[0492] 热泵的这种构型是有利的,因为即使在相对较低的温度下该热泵仍然有可能能够从流体流诸如发动机冷却剂或发动机排气中提取能量用于加热或冷却目的,并且因此可以降低总能量消耗。
[0493] 图9是为清楚起见省去了许多细节和一些部件的本发明的发动机的简化的流程图和截面图,并且图9示出了发动机内的流体流动的总体构型,其中,该发动机利用离心热虹吸来产生使工作流体循环通过转子内的涡轮以产生电力的压力增益,并且该发动机利用外部加热的高温加热流体来提供驱动工作流体离心热虹吸的热能。工作流体绕转子244内的气密密封的工作流体循环路径循环,转子244在位于转子的每个端部处的滚动元件转子轴承245上绕转子轴线246旋转,转子244由转子壳体248内的转子马达247驱动,转子壳体248通过真空泵250部分地抽真空以将转子风阻降至低值。转子真空密封件252在转子的每个轴向端部处提供旋转转子与转子壳体之间的旋转密封,通过该密封,流体可以以与转子和转子壳体之间的部分抽真空的空间流体隔离的方式进入和离开转子。
[0494] 外部加热的高温加热流体由向高温工作流体加热器供热的热源加热。其被保持在基本恒定的温度。
[0495] 热源可以通过辐射传热或者热能传输的方式将热供至外部加热的高温加热流体中。热源可以是集中的太阳辐射、由核反应供能的热源、燃料在其中借助于氧化剂燃烧的燃烧器、电加热器、地热热源、内燃发动机冷却剂液体或润滑剂中的一者或更多者。
[0496] 如果热源是燃烧器,则燃料可以出自包括、木材、天然气、液态烃燃料、工农业废料或生活废料、生物质的名单中的一者或更多者。
[0497] 替代性地,高温加热流体或者由出自包括来自燃气轮机的排气、来自内燃发动机的排气或来自其它燃料燃烧发动机的排气的名单中的一者或更多者加热,或者为出自上述名单中的一者或更多者。
[0498] 优选地主要为包括氙气、氪气和氩气的名单中的一者或更多者的工作流体绕转子内的气密密封的工作流体循环路径循环。工作流体从动力涡轮262的出口径向向外流动,进入工作流体冷却器256即热交换器中,在该热交换器中,工作流体在其径向向外流动时被压缩,同时在优选地接近等温压缩过程并优选地使工作流体到达转子的最大半径附近的过程中通过热传递至径向向内流动的冷却剂流体而被冷却至接近冷却剂流体的温度。工作流体然后径向向内流经转子的最大半径处或转子的最大半径附近的逆流高温热交换器258,在逆流高温热交换器258中,工作流体被沿径向向外流动的高温加热流体加热,从而对于给定的高温加热流体的转子入口温度而言尽可能多地提高工作流体的温度。通过以这种方式定向逆流热交换器,外半径是最冷的,这有利于用类似于聚合物增强的纤维复合材料等高强度材料形成表面抗拉保持环以保持热交换器抵抗离心载荷。然后工作流体在通过动力涡轮进行膨胀而完成工作流体循环路径之前径向向内流过膨胀通路260,从而由于转子向心加速度而经历近似绝热膨胀并冷却。动力涡轮优选地是具有推进器的动态式涡轮,诸如轴流式涡轮或向心式涡轮,该动态式推进器优选地在与转子相反的方向上(对转)绕与转子轴线一致的轴线旋转以使涡轮支承载荷最小化。动力涡轮驱动转子内部的发电机
264,发电机264优选地在附接至涡轮的发电机转子中具有永磁体以实现高效率。发电机通过旋转感应耦合器将电输送到外部电气载荷,其中,旋转感应耦合器包括壳体安装的耦合器定子254、转子安装的耦合器转子255并且利用轴向气隙257上的时变磁场259来在耦合器定子中感应生成交流电,气隙的轴向面使径向磁力最小化,否则径向磁力可能会破坏该快速旋转转子的转子动力稳定性或感应生成不希望的转子径向支承力。液态金属旋转耦合器是用于将电力从涡轮发电机传输至外部电气载荷的另一优选的替代方案。
[0499] 冷却剂流体和高温加热流体在转子的每个端部处经由位于转子轴线上的液力耦合器进入和离开转子。冷却剂流体在大多数情况下主要是水或醇基流体,并且在转子外部在转子外冷却器266中被冷却,冷却剂流体在转子外冷却器266中将热传递至散热流体268,散热流体268在大多数情况下将是空气、水或醇。冷却剂流体通过冷却剂泵270泵送并通过冷却剂流体过滤器272过滤以在冷却剂流体重新进入转子之前除去碎屑。在一些情况下,可能不需要冷却剂流体泵,因为有可能能够完全依靠在转子内冷却剂流体内的离心热虹吸来产生使冷却剂流体循环所需的压力增益,或者,该泵可以被整合到离开转子的冷却剂出口的转子液力耦合器中以用作由转子马达供以动力的离心泵。过滤器可能并非总是必要的,并且冷却剂流体可以简单地从大的贮存器供给,而不是通过向另一散热流体热传递被冷却。高温加热流体在转子外部在外部高温加热器274中被加热。该发动机构型的最有益之处在于从废热源中提取最大量有用的能量,其中,废热源的示例可以包括:地热、从太阳能加热等存储的热能、发动机的排气热,所有这些废热源都将仅在被冷却到接近环境温度时释放最大量的有用热能。高温加热流体由高温加热流体泵276泵送以克服转子内的高温加热流体的离心热虹吸的阻滞压力,并且高温加热流体在进入转子之前被高温加热流体过滤器278过滤,但该过滤器可能并非总是必要的,并且高温加热流体泵可以有可能作为动态泵集成在转子的高温加热流体出口内。存在可以构成高温加热流体的诸多流体。在高温下,液态碱金属或液态离子化合物是优选的高温加热流体,而碳氢化合物或水对于低温是优选的,也可使用气态高温加热流体,其中空气、氢气和氦气是优选的示例。
[0500] 发动机的这种构型是有利的,因为该发动机即使尺寸相对较小,也仍可以有潜力地从相对较低温度的热源或从高温流体流如发动机冷却剂或发动机排气中高效率地产生电能,并且因此可以被用作较高温度的发动机的有效的后置循环以减少能耗。效率通常将在离开动力涡轮的工作流体的温度处于工作流体冷却器的温度或接近工作流体冷却器的温度并且到工作流体冷却器的入口与动力涡轮出口处于相同的半径或接近处于相同的半径时被最大化。
[0501] 对于图8的热泵和图9的发动机而言,如果加热所述高温加热流体的热源是流体流,例如是希望从中提取尽可能多的能量的燃料燃烧发动机的排气,那么通常优选的是使工作流体冷却器向外延伸至高温热交换器所在的转子的最大半径附近,并由此使得能够更大程度地冷却流过高温热交换器的高温加热流体,然后在高温加热流体已经离开转子之后,通过在流体流冷却时从流体流中提取热能的逆流热交换器加热该高温加热流体。然而,如果加热所述高温加热流体的热源处于相对恒定的温度,比方说例如是内燃发动机的冷却水、太阳能集中器或核热源,那么为了使效率最大化,通常优选的是不使工作流体冷却器延伸出到最大半径,而是在工作流体已经穿过工作流体冷却器之后并在工作流体穿过高温热交换器之前允许工作流体流出并通过径向通路从而经历进一步的近似绝热压缩并加热,并且然后理想的是,工作流体在其径向向内在理想地接近等温膨胀过程的过程中膨胀并穿过高温热交换器时被加热,高温加热流体以更大的体积流过转子,使得其在高温热交换器内经受较小的温度下降。
[0502] 图10是用于如由图7和图11和图17例示的本发明的热泵和/或发动机的辐射加热器的优选构型的简化流程图,其中,空气被从空气入口282通过风扇284泵送,风扇284强制空气通过回热器或再生器286,在回热器或再生器286中空气通过来自离开辐射器288的高温排气的热传递被加热,之后空气通过在燃烧器292中用燃料290燃烧而进一步被加热,燃烧的高温产物然后加热辐射加热器,以将必要的辐射热传递提供至转子,并且离开辐射器的排气然后回头穿过回热器或再生器来预热进入的空气。使用回热式热交换器或再生式热交换器来从辐射加热器的排气中回收热大大增加了将燃料的能量转化成辐射热能的总体效率。燃烧器可以处于辐射器中的喷射附加燃料的一个或多个顺序的区内,以降低峰值温度和不希望的排放物形成,即使排气中留有少量游离氧时亦如此。这有助于通过减少总排气质量流来提高效率。
[0503] 图11是为清楚起见省去了许多细节和一些部件的本发明的发动机的简化的流程图和截面图,并且图11示出了发动机内的流体流动的总体构型,其中,该发动机以与图7类似的方式利用离心热虹吸来产生使工作流体循环通过转子内的涡轮以产生电力的压力增益,并且该发动机利用转子的外半径附近的辐射传热来提供驱动工作流体离心热虹吸的热能。工作流体绕转子294内的气密密封的工作流体循环路径循环,转子294在未图示的转子轴承上绕转子轴线296旋转,转子294由转子壳体298内的转子马达驱动,转子壳体298通过真空泵300部分地抽真空以将转子风阻降为低值。转子真空密封件302提供旋转转子与转子壳体之间的旋转密封,通过该密封,冷却剂流体可以以与转子和转子壳体之间的部分抽真空的空间流体隔离的方式进入和离开转子。
[0504] 优选地主要为包括氙气、氪气和氩气的名单中的一者或更多者的工作流体绕转子内的气密密封的工作流体循环路径循环。工作流体径向向外流过工作流体冷却器304即热交换器,在该热交换器中工作流体通过向冷却剂流体热传递被冷却而同时在优选地接近等温压缩过程的过程中进行进一步压缩。工作流体然后沿径向向外穿过压缩通路306朝向转子的最大半径流动,从而由于转子向心加速度作用在工作流体上而进行进一步压缩并加热,并且优选进出工作流体的热传递很少。在转子的最大半径处或转子的最大半径附近,工作流体然后流经高温工作流体加热器308,其中热主要通过来自转子壳体内的高温辐射器310的辐射转移至高温工作流体加热器,高温辐射器310利用来自外部热能量源312的能量,该外部热能量源312是出自包括燃烧燃料、核热源、太阳能、电的名单中的一者或更多者。在高温工作流体加热器内添加至的工作流体的多数热能优选地在工作流体沿大致径向向内的方向行进时被添加,使得作用在工作流体上的离心热虹吸将在转子正在旋转的同时沿期望的方向启动和维持工作流体循环。高温工作流体加热器的优选形式是一个或更多个轴向分开的盘,所述一个或更多个轴向分开的盘各自具有结合至其上或嵌入其内的工作流体流动通路并且各自被高温辐射热源在接近最大半径的半径的跨度上在两侧上被照射。工作流体然后径向向内流过膨胀通路314从而由于转子向心加速度作用在工作流体上而进行膨胀并冷却。为了缩短工作流体流动路径的总体长度,进而减少所需的工作流体的总量,优选的是,多个压缩通路和膨胀通路围绕转子轴线排列并沿大体径向方向对准,并且工作流体的总流量的一部分并行地流过每个压缩通路和膨胀通路。为了完成工作流体循环路径,工作流体然后穿过动态式的动力涡轮316进行膨胀,该动力涡轮比如为具有推进器的轴流式涡轮或向心式涡轮,该动力涡轮优选地绕与转子轴线一致的轴线旋转以使压缩机支承载荷最小化。动力涡轮驱动转子内部的发电机318,并将电力通过感应旋转电耦合器供应至外部载荷,感应旋转电耦合器整合有转子马达,感应旋转电耦合器包括转子壳体内的马达定子320和固定感应耦合器以及附接至转子的马达转子322和旋转感应耦合器。这种组合的转子马达和感应耦合器也可以用于将电力提供至本发明的热泵的转子内的工作流体压缩机。感应耦合器也可以由滑环电耦合器或液态金属旋转耦合器或类似物替代。
[0505] 冷却剂流体在转子的一个端部处经由位于转子轴线上的液力耦合器进入和离开转子。冷却剂流体在大多数情况下主要是水或醇基流体,并且在转子外部在转子外冷却器324中被冷却,冷却剂流体在转子外冷却器324中将热传递至散热流体326,散热流体326在大多数情况下将是空气、水或醇。冷却剂流体通过冷却剂泵328泵送并通过冷却剂流体过滤器330过滤以在冷却剂流体重新进入转子之前除去碎屑。在一些情况下,冷却剂流体泵可能不需要,因为可能能够完全依靠转子内的冷却剂流体内的离心热虹吸来产生使冷却剂流体循环所需的压力增益,或该泵可以被整合到离开转子的冷却剂出口的转子液力耦合器中以用作由转子马达供以动力的离心泵。过滤器可能并非总是必要的,并且冷却剂流体可以简单地从大的贮存器供给,而不是通过向另一散热流体热传递来冷却。
[0506] 为了使发动机的效率最大化,离开动力涡轮的工作流体的温度优选地接近冷却剂流体的温度。
[0507] 图12是示出了在工作流体利用在现实中只是近似的理想热力学过程绕图11的发动机的转子内的工作流体循环路径循环时发生在工作流体内的理想循环的热力学变化的曲线图。竖向轴线332上表示压力,水平轴线334上表示流体比容,即流体密度的倒数。发生在工作流体冷却器中的等温压缩336之后跟着是在压缩通路中的绝热压缩338,然后是在高温工作流体加热器中的等温膨胀340,在然后是在膨胀通路中的绝热膨胀342,之后是通过动力涡轮的通常伴随有较大损失的进一步绝热膨胀344,从而完成循环。等温冷却和加热过程尤其有可能只是粗略地接近于现实,并且可以由非等温冷却和加热过程替代。在转子速度有限的情况下利用更接近等压而不是等温的加热过程可能有一些效率优势,但这可能难以结合到紧凑的转子中,在该紧凑的转子中,高温工作流体加热器分布在盘状辐射接收器上的半径的跨度上,在这种情况下,更容易近似于等温膨胀。这些链接在一起的过程在压力-容积曲线图上形成的顺时针的环表示功率产生周期。
[0508] 图13是示出了在工作流体利用在现实中只是近似的理想热力学过程绕图9的发动机的转子内的工作流体循环路径循环时发生在工作流体内的理想循环的热力学变化的曲线图。竖向轴线346上表示压力,水平轴线348上表示比容,即流体密度的倒数。发生在工作流体冷却器中的等温压缩350之后跟着是高温工作流体加热器中的等压供热352,并且然后是膨胀通路中的绝热膨胀354,其后是通过动力涡轮的进一步绝热膨胀356,从而完成循环。等温冷却和等压加热过程尤其有可能只是粗略地接近于现实,并且可以由非等温冷却和非等压加热过程替代。特别地,等压供热可以替换为压力减小且效率损失很少的加热过程,只要转子速度并因此峰值压缩略有增大即可。这些链接在一起的过程在压力-容积曲线图上形成的顺时针的环表示功率产生周期。
[0509] 图14是示出了在工作流体利用在现实中只是近似的理想热力学过程绕图6的热泵的转子内的工作流体循环路径循环时发生在工作流体内的理想循环的热力学变化的曲线图。竖向轴线358上表示压力,水平轴线360上表示比容。压缩通路中的绝热压缩362理想地将工作流体温度提高到恰好高于温热传热流体的温度,并且随后是发生在工作流体冷却器中的等温压缩364从而加热温热传热流体,这之后是理想地将工作流体冷却到刚好低于低温传热流体的温度的膨胀通路中的绝热膨胀366,再之后是冷却低温传热流体的低温工作流体加热器中的等温膨胀368。最后压缩机内的大体绝热但有些低效的压缩过程370使工作流体回升到初始压力,从而完成循环。等温冷却和等温加热过程尤其有可能只是粗略地接近于现实,并且可以由非等温冷却和非等温加热过程替代。这些链接在一起的过程在压力-容积曲线图上形成的逆时针的环表示功率吸收周期,并且在这种情况下由输入至压缩机的功率驱动。
[0510] 图15是示出了在工作流体利用在现实中只是近似的理想热力学过程绕图7和图17-20的热泵的转子内的工作流体循环路径循环时发生在工作流体内的理想循环的热力学变化的曲线图。竖向轴线372上表示压力,水平轴线374上表示比容。在压缩通路中的绝热压缩376之后跟着是高温工作流体加热器中的等压供热378,然后是膨胀通路中的绝热膨胀380。
[0511] 这三个过程一起提供了用于克服在其余过程中的压力损失的、工作流体中的离心式热虹吸压力增益。接下来是发生在工作流体冷却器中的等温压缩382从而加热温热传热流体,其后接着是理想地将工作流体冷却到刚好低于低温传热流体的温度的在进一步的膨胀通路中的绝热膨胀384,之后是在低温工作流体加热器中冷却低温传热流体的等温膨胀386,等温膨胀386结束循环。等温冷却和加热以及等压加热过程尤其有可能只是粗略地接近于现实,并且可以由非等温冷却和非等压加热过程替代。特别地,等压供热378可以在工作流体径向向内流过高温工作流体加热器时替换为更接近等温供热的过程。包围在由曲线
376、378、380、382界定的顺时针功率产生环内的面积等于包围在由曲线382、384、386、376界定的逆时针功率吸收和热泵送环内的面积。
[0512] 图16是示出了在工作流体利用在现实中只是近似的理想热力学过程绕图8的热泵的转子内的工作流体循环路径循环时发生在工作流体内的理想循环的热力学变化的曲线图。竖向轴线388上表示压力,水平轴线390上表示比容。在压缩机和压缩通路中的绝热压缩392理想上将工作流体温度提高到恰高于温热传热流体的温度,并且随后是发生在工作流体冷却器中的等温压缩394从而加热温热传热流体。这之后是高温工作流体加热器中的等压供热396,并且然后是膨胀通路中的绝热膨胀398,最后是在低温工作流体加热器中冷却低温传热流体从而完成循环的等温膨胀400。等温冷却和加热以及等压加热过程尤其有可能只是粗略地接近于现实,并且可以由非等温冷却和非等压加热过程替代,特别地,等压加热过程可以由工作流体在其中径向向内流动且对效率影响很小的加热过程取代。包围在由曲线394、396和398界定的顺时针功率产生环内的面积等于包围在由曲线398、400、392、394界定的逆时针功率吸收和热泵送环内的面积。
[0513] 图17示出了本发明的热泵的优选实施方式的剖切面与转子轴线重合的等距横截面图,其中,旋转转子内的工作流体的循环通过辐射加热的离心热虹吸以及电动压缩机供以动力,离心热虹吸和压缩机可以各自贡献驱动转子内的工作流体循环所需的总压力增益的一可变部分。包括许多部件的转子402在部分抽真空的转子壳体406内绕转子轴线404旋转以减小风阻阻力。转子壳体内的气体还可以是不同于空气的其它气体以或者通过使用低分子量气体如甲烷、蒸气、氨气、氦气或氢气来进一步减小风阻阻力,或者通过使用非氧化性气体如氮气、氢气、甲烷、氨气或氦气从而更好地允许使用具有低成本和高温强度的材料,例如对氧化敏感的钼合金。
[0514] 转子结合有辐射接收器盘408,辐射接收器盘408延伸出至最大转子半径,在最大转子半径处,辐射接收器盘408在盘的每个侧面上以最靠近盘周缘的半径的跨度在环形辐射接收器区域410上暴露于辐射热源,从而加热高温工作流体加热器中的工作流体,其中高温工作流体加热器在本优选实施方式中由结合至环形辐射接收器区域中的辐射接收器盘的一侧的管构成。盘的每一侧上的辐射热源是辐射器管412,辐射器管412绕具有与转子轴线一致的轴线的大致圆形的路径延伸,并且辐射器管412分别在不面向环形辐射接收器区域的区域中绝热414,以便限制不想要的辐射热损失。辐射器管在大多数情况下将容纳辐射器加热流体,辐射器加热流体将热传递至管以被辐射到盘的环形辐射接收器区域。存在许多有可能的辐射器加热流体,一些优选的例子是:燃烧气体或其它不可燃气体、在热管装置中经过凝结成为液体的气态金属或液态金属如锂或钠、液态盐和非氧化性气体。也可能的是,可以将核热源直接放置在辐射器管内,或者该管在没有其它更便宜的热源可用时可以用电加热。热源416将辐射器加热流体供应至辐射器管。有许多不同的可能热源,其中一些例子包括:太阳光集中在其上的太阳能辐射接收器、核热源、高温储存的热的储存器、燃烧燃料并在燃烧之前优选地从其排气回收废热以预热空气的燃烧器。在热源处使待在热管装置中的辐射器管内经过冷凝变回成液体的如锂或钠之类金属沸腾提供了用于使热在不需要泵的情况下以相对恒定的温度进行循环的方法,并且这通过将沸腾器放置在辐射器管下方使得重力促使冷凝的辐射器加热流体从辐射器加热管排回到沸腾器而更容易实现。
[0515] 带有由透明圆顶部422覆盖以承受压力差和太阳能通量的隔热锥形入口420的小的太阳能辐射接收器孔口418使得能够将由菲涅耳透镜或抛物面反射镜或类似物聚集的太阳光聚焦在环形辐射接收器区域的小的区域上。对于太阳能聚集而言可能的高通量密度意味着,在阳光直射下,一个或可能若干相对较小的太阳能孔口可以将与可由更大区域但更低温度的辐射器管传递的辐射热通量相等的辐射热能传递至环形辐射接收器区域。这有效地使得能够在阳光不足时通过太阳能热源以及补充热源如燃料燃烧来操作单个转子。
[0516] 图18是图17的热泵的局部横截面图,其中剖切面与转子轴线重合,并且仅图示出了热泵的靠近转子轴线的那些部分并省略了辐射接收器盘的大部分。旋转转子内的工作流体的循环通过辐射加热的离心热虹吸以及电动压缩机供以动力,离心热虹吸和压缩机可以各自贡献驱动转子内的工作流体循环所需的总压力增益的一可变部分。如果没有必要用电能补充或替代驱动离心热虹吸的热能,则压缩机可以从热泵省略。
[0517] 转子402在支承于高温端转子轴承424和低温端转子轴承426上的部分抽真空的转子壳体406内绕转子轴线404旋转,高温端转子轴承424和低温端转子轴承426各自分别安装在径向柔性的轴承座428、430内,使得转子在最大操作速度下以大于转子质量在径向柔性的轴承座内径向振荡的第一固有频率的角频率旋转。该条件意味着两个关于转子轴线的自动平衡器回转空腔432、434中的每一个回转空腔内的多个相同的自动平衡器滚动元件将在自动平衡器空腔内以作用成使组合的转子和自动平衡器滚动元件的质心朝向转子轴线移动的方式自动地自我分布,使得即使流体密度和流体分布上有变化并且存在热或应力引起的转子尺寸变化,转子的不平衡将通常被最小化,并因此降低了转子轴承上的径向轴承载荷的失衡。转子轴承在本实施方式中是滚动元件轴承,但也可以由液体动压轴承或甚至气体润滑轴承或磁性轴承替换。
[0518] 转子通过转子马达和感应旋转耦合器推进以旋转,该转子马达由附接至转子的马达转子436和附接至部分真空的转子壳体的内部的马达定子438构成。马达转子和感应旋转耦合器是轴向磁通类型的,其中,作用在转子上的大多数磁力在轴向方向上,以减小否则可能会不利地使转子轴承的径向柔性的轴承座径向偏转的径向磁力的大小。感应耦合器使得电力能够传输至转子以在必须让压缩机驱动工作流体绕转子内的工作流体循环路径循环的时候驱动压缩机440,但感应耦合器也可以由电滑环或液态金属旋转耦合器或类似物代替。压缩机是径向压缩机,该径向压缩机绕与转子轴线一致的轴线旋转,以减小优选地为工作流体气体润滑型的压缩机转子轴承442上的径向力,和任何气化的碳氢化合物一样,进入循环工作流体的润滑剂将倾向于在工作流体循环路径的最热部分中分解,从而可能会在工作流体中产生不希望的沉积物和气态分解产物。压缩机由压缩机马达驱动,压缩机马达由压缩机马达转子444和压缩机马达定子446构成,压缩机马达转子444和压缩机马达定子446是相对较长的并且是小直径的以减少由转子与定子之间的圆筒形间隙中的相对密集的工作流体引起的流体摩擦损失。
[0519] 流体在转子内以类似于图7的热泵的方式循环,但在工作流体加热器448与高温工作流体加热器(在图18中不可见)之间添加有压缩机。离开压缩机的工作流体从压缩机径向向外流动穿过多个压缩管450,从而因其在转子内承受大的向心加速度而进行压缩和加热,其中所述多个压缩管450绕转子轴线以规则间隔隔开并结合至辐射接收器盘408的表面。工作流体然后在辐射接收器盘(在该图18中不可见)的外周附近的高温工作流体加热器中进一步被加热,并且然后径向向内流过多个膨胀管452从而在此过程中膨胀和冷却,所述多个膨胀管452围绕转子轴线以规则间隔隔开且也结合至辐射接收器盘的表面。工作流体然后沿径向向外的方向流过工作流体冷却器454,从而在工作流体将热传递至温热传热流体时进行冷却和压缩,工作流体冷却器454优选地具有与图4或图5的热交换器类似的结构且具有轴向排列的并行的散热片和轴向管,温热传热流体优选地是主要由水或醇组成的液体。工作流体然后径向向内流向低温工作流体加热器456,从而通过低温膨胀通路458进行膨胀和冷却,其中,低温工作流体加热器456优选地具有与图4或图5的热交换器类似的结构,低温膨胀通路458包含绕转子轴线分布的径向叶片460以防止工作流体在其径向向内移动时由于角动量守恒而以大于转子的角速度绕转子轴线旋转。该工作流体径向向内流过低温工作流体加热器从而因其从低温传热流体吸收热能而进行加热和膨胀,然后工作流体经围绕压缩机马达定子的外侧的主要为轴向的连接通路462流回至压缩机以完成工作流体循环路径。
[0520] 在其到达低温工作流体加热器时凝结的工作流体将被径向向外抛出并且可以收集在径向地面向内的工作流体冷凝物回转收集腔461中,该工作流体冷凝物回转收集腔461为面向内的空腔,低温液态工作流体可以收集在该空腔内,而不必循环地蒸发和冷凝。
收集该冷凝物将逐渐降低工作流体的压力,直到由于压力下降时发生的冷凝温度下降导致没有进一步冷凝发生。
[0521] 温热传热流体经由温热传热流体入口464进入转子并被分布以沿径向向外流动穿过与温热传热流体分布室468连接的多个径向流出通路466,贯穿工作流体冷却器的长度的多个轴向冷却管将温热传热流体从温热传热流体分布室468传至位于工作流体冷却器的相反端部处的传递通路470,另外的多个轴向冷却管472将温热传热流体从传递通路470传回到加温传热流体收集室474,加温传热流体收集室474连接至多个径向流入通路
476,温热传热流体通过该径向流入通路476径向向内流动而随后流经高温端转子真空密封件478的内直径,温热传热流体在其通过温热传热流体出口泵推进器480穿过转子然后从转子流出时通过传导冷却,温热传热流体出口泵推进器480通过操作为动态泵推进器来增大温热传热流体出口中的动压,温热传热流体然后在附接至转子壳体的温热传热流体出口扩散器482内扩散以产生增加的静压。
[0522] 低温传热流体经由低温传热流体入口484进入转子并被分布以沿径向向外流动穿过与低温传热流体分布室488连接的多个径向流出通路486,贯穿低温工作流体加热器的长度的多个轴向加温管490将低温传热流体从低温传热流体分布室488传至在低温工作流体加热器的相反端部处的传递通路492,另外的多个轴向加温管将温热传热流体从传递通路492传回到低温传热流体收集室494,低温传热流体收集室494连接至多个径向流入通路496,低温传热流体通过该径向流入通路496径向向内流动然后流经低温端转子真空密封件498的内直径,低温传热流体在其通过低温传热流体出口泵推进器500穿过转子然后从转子流出时通过传导冷却,低温传热流体出口泵推进器500通过操作为动态泵推进器来增大低温传热流体出口中的动压,低温传热流体然后在附接至转子壳体的低温传热流体出口扩散器502内扩散以产生增加的静压。
[0523] 转子壳体通过附接至转子壳体抽真空端口504的真空泵部分地抽真空。
[0524] 工作流体冷却器与低温膨胀通路之间的隔热空腔506以及工作流体冷却器与低温工作流体加热器之间的隔热空腔508有助于限制工作流体流动路径的较高温部分与较低温部分之间的不想要的热传递,并且优选地流体地连接至部分抽真空的转子壳体以提高其隔热效果。
[0525] 图19为图18的横截面图的一部分的细节图,示出了转子402的低温端周围邻近转子轴线404的区域,并且示出了为滚动元件轴承的低温端转子轴承426的细节,低温端转子轴承426安装在低温端径向柔性轴承座430内,低温端径向柔性轴承座430优选地为安装在转子壳体406内的可变形聚合材料,可变形聚合材料在转子以最大速度旋转时使转子内的自动平衡器能够使转子质心密切接近转子轴线。低温传热流体经由低温传热流体入口484进入转子并被分布以沿径向向外流动穿过多个径向流出通路470。低温传热流体从转子的流出经由多个径向流入通路480,低温传热流体径向向内流过所述多个径向流入通路480、然后流过低温端转子真空密封件的内直径、并且然后通过用作由转子马达供以动力的动态泵推进器的低温传热流体出口泵推进器484流出转子,低温传热流体出口泵推进器484以很大切向和径向的速度排出低温传热流体,该低温传热流体速度在附接至转子壳体的低温传热流体出口扩散器502内转变成增加的静压,该增加的静压可被用于驱动低温传热流体通过转子内部和转子外部的热交换器的循环,并用于克服由低温传热流体在转子内在距转子轴线大的径向距离处被冷却所造成的压力梯度。
[0526] 转子真空密封件是磁性阻挡流体类型的,其中,具有低蒸气压并含有铁磁性颗粒的磁性流体环(未示出)保持在位于沿密封件的轴向长度轴向间隔的极性交替的匹配的内周磁极510与外周磁极512之间的环形间隙中。
[0527] 集中的磁通沿主要为径向的方向在克服轴向压差保持磁性流体就位的每对内外磁极之间通过。磁性轴承的每个内外磁极对能够抵抗一小部分大气压,并且总体上它们可以结合以在转子旋转或静止时抵抗在密封件的长度上的等于大气压的压力差。内周磁极形成为软铁磁性材料的周向脊。外周磁极形成为夹持在相对的轴向面极性相同的环形轴向磁化的永磁体516之间的软磁性材料的环形圈514。密封件的固定磁性部件被一起夹在非磁性密封件本体518内,以克服密封件中的环形永磁体之间的相互排斥力。转子的高温端处采用类似的磁性流体转子真空密封件。
[0528] 这种类型的转子真空密封件为气密的并且可以密封离相对较高水平的真空。这种类型的转子真空密封件具有低的磨损和摩擦并且可以适应固定部件与旋转部件之间的一些径向运动。它还有利地减小了保持期望低的转子壳体压力所需的真空泵送的量,并且在某些情况下甚至可以允许在初始真空已经建立之后完全消除真空泵,或者不然可以允许采用仅不常运行真空泵以抽空转子壳体。
[0529] 图20为无转子壳体的图17至图19的热泵的转子的等距视图,并且示出了结合至辐射接收器盘408的工作流体通路的优选布局。工作流体径向向外流过围绕转子轴线排列的压缩管450,从而进行压缩并且温度和密度增大。随着半径增大管渐缩至较小的直径以在逐渐密集的工作流体中保持所需的流动速率。流过每个压缩管的工作流体然后分流以沿两个周向方向并行地流动穿过高温工作流体加热器管520,高温工作流体加热器管520还在沿径向邻近辐射接收器盘的周缘的环形辐射接收器区域410中结合至辐射接收器盘的表面从而吸收热能。工作流体加热器管然后与膨胀管452连在一起,工作流体径向向内流过该膨胀管452以经受膨胀和冷却并且密度降低。膨胀管渐缩并且在越小的半径处内直径越大,以随着工作流体的密度降低而保持所需的流动速率。工作流体加热器管的大致周向的路径离转子轴线的径向距离优选地从压缩管的端部到膨胀通路稍微减小,使得当工作流体被加热时,由离心热虹吸产生的向心浮力将倾向于沿所需的流动方向推动工作流体,从而确保工作流体流动开始并在启动和正常运行期间保持所需的流动方向。
[0530] 因为高温工作流体加热器管减少了将必要的热传递到工作流体中所需的管表面面积的量,通常优选的是在工作流体与高温工作流体加热器管之间具有相对较大的温差,并且与其它热交换器中的情况相比,热泵效率对该热交换器中的大的温差不太敏感。
[0531] 压缩管和膨胀管中的工作流体的温度随着半径的减小急剧降低,因此有助于在比环形辐射接收器区域的半径小的半径处冷却辐射接收器盘。因此辐射接收器盘仅在靠近边缘的区域中非常热,并且材料强度通常将随着半径的减小而迅速增加以有助于减小提供足够的强度以支承高温工作流体加热器所需的辐射接收器盘的厚度。
[0532] 有利的是使较大数目的压缩管和膨胀管与相对较短的高温工作流体加热器管相连,因为相对较短的高温工作流体加热器管使工作流体循环路径内的流动路径的总长度减少,因此可以有助于减少所需的昂贵的工作流体的量。
[0533] 存在高温工作流体加热器可以结合在辐射接收器盘内的许多其它方式:工作流体流动通路可以部分地或全部地在盘内,并且压缩管和膨胀管各自可以由单个高温工作流体加热器管连结在一起或由两个以上的具有并行流的高温工作流体加热器管连结在一起。
[0534] 制成辐射接收器盘的材料将理想地具有高温下的高强度、低密度和低成本的组合。虽然有可能合适的许多镍基、钴基和铁基的合金,但考虑到高温下非常高的强度以及相对较高的热导率,也有可能的是钼将提供有吸引力的选择。在某些情况下,可以仅靠近转子的高温边缘采用更昂贵的能胜任高温的材料,以及可以在更小的半径处将那些高温材料结合至更便宜的材料。
[0535] 图21中示出了与转子的其余部分分离的如图1的热泵中使用的工作流体加热器或工作流体冷却器的另一优选实施方式的轴向横截面。该工作流体加热器或冷却器也可以在本发明的其它热泵和发动机中使用,并作为热交换器操作以在工作流体与温热传热流体或低温传热流体或冷却剂流体或高温加热流体之间传递热能。在本实施方式中,热交换器作为工作流体加热器或工作流体冷却器操作并且总体形状呈绕转子轴线2的圆筒形回转体,并且热交换器包含围绕转子轴线排列的多个工作流体流动通道501,工作流体在经受压缩的情况下沿大致径向向外的方向流过所述多个工作流体流动通道501或者在经受膨胀的情况下沿大致径向向内的方向流过所述多个工作流体流动通道501。工作流体流动通道在总体形状上为绕转子轴线的螺旋状物并且优选地具有随着距转子轴线的距离增加而减少的横截面流动面积,以在工作流体的密度随着半径的增大由于向心加速度引起的压缩而增大时使工作流体保持相对恒定的流动速率。螺旋形壁503将工作流体流动通道与周向相邻的传热流体流动通道505分离,温热传热流体或低温传热流体或冷却剂流体或高温加热流体以与工作流体流体隔离的方式沿大致径向的方向流过该传热流体流动通道505。
[0536] 这些传热流体流动通道总体形状也呈螺旋形,但因为从中流过的传热流体在密度上通常将不经历大的变化,在大多数情况下,这些传热流体流动通道随半径增大将具有相对恒定的横截面面积。工作流体流动通道和传热流体流动通道另外沿轴向排列成平行于转子轴线的棱形柱,其中,轴向相邻的工作流体流动通道以及传热流体流动通道由将热传递到流体中以及将热从流体传出的薄散热片分离,这些轴向的棱形柱可以被替代地构造为围绕转子轴线的螺旋结构,但这样做不太可能有任何益处。工作流体流动通道在其径向内端507和径向外端509处流体地连接至轴向工作流体连接通路。类似地,传热流体流动通道在其径向内端511和径向外端513处流体地连接至轴向传热流体连接通路。这些轴向连接通路分配或收集流经热交换器内的单独的工作流体流动通道和传热流体流动通道中的每一者的流体。周向的径向外壁515和径向内壁517将加压流体密封在热交换器内,并进一步增加耐受热交换器内的向心加速度引起的应力的强度。
[0537] 结合有径向内壁和径向外壁的该热交换器的沿周向和沿轴向排列的传热流体流动通道优选地由具有切口以形成流动通路的大量大致环形轮廓的平面金属片层叠件构成。这些层叠件组装成轴向堆叠体并通过硬钎焊、软钎焊、熔焊或聚合物粘结结合在一起形成环形层叠件堆叠体。铝合金通常优选地用于温度约在150℃以下的热交换器应用,因为它们兼具高热导率、低密度和低成本,但也可以使用铜合金或其它金属,例如不锈钢或钼合金,以利用其更高的热导率、更容易加工或结合、对传热流体有较好的耐腐蚀性或在高温下有更大的强度的优点,对于高温热交换器而言尤其如此。
[0538] 对于铝而言,将层叠件结合在一起的两个最优选的方法是:在接近600℃的温度硬钎焊,优选地至少部分采用硬钎焊合金复合铝钎焊板来制造其中一些层叠件;以及在450℃以下的温度软钎焊,优选地采用在焊料合金中进行电镀的铝层叠件。在某些情况下,能够在硬钎焊或软钎焊后通过热处理使铝达到更高的强度。
[0539] 由高抗拉强度材料构成并优选地预加载周向张力以将径向向内的压缩力提供在环形层叠件堆叠体的径向外壁上的可选的抗张保持环519可以有效地降低热交换器的环形层叠件堆叠体内的压力和向心加速度引起的应力。由于抗张保持环519在转子运行过程中温度升高,因而抗张保持环519可以由具有比热交换器层叠件更低的热膨胀系数的材料构成以增加其施加至环形层叠件堆叠体的压缩载荷。可选的抗张保持环也可以用于将附加的轴向抗张夹紧载荷提供在层叠件上以抵抗否则可能会使环形层叠件堆叠体轴向裂开的内部压力载荷。用于在抗张保持环与环形层叠件堆叠体之间形成这种过盈配合的优选方法是加热抗张环和/或冷却环形层叠件堆叠体以产生差异热膨胀,因为当抗张保持环和环形层叠件堆叠体此时被组装并匹配温度时,这将在环内产生很大的轴向拉应力和环向拉应力,进而在环形层叠件堆叠体内产生所希望的轴向、周向和径向压缩应力。也可以使用位于热交换器的内半径处的附加的可选内部轴向拉力螺栓520以将增大的轴向抗张夹紧载荷在环形层叠件堆叠体的内半径处提供到环形层叠件堆叠体上。
[0540] 这种热交换器构型有许多好处。它可以在高度自动化的冲压和硬钎焊或软钎焊的加工中由便宜的且容易加工的板材构成,并且可以在内部只有少量的昂贵工作流体的轻质且小型化的热交换器内以小温度差递送非常高速率的热传递。将轴向相邻的工作流体流动通道与传热流体流动通道分离的薄散热片在它们的轴向厚度两侧上不承受大的压差,因为散热片的两侧在任何位置处都承受处于大致相同的压力的相同的流体。桥接在螺旋形壁之间的散热片提供有效分布的机械支承以抵抗工作流体与传热流体之间的压差,否则该压差将倾向于推动螺旋形壁周向分开或在一起的。热交换器构造成在轴向相邻的散热片之间具有非常小的轴向间隙,使得可以在低雷诺数层流状态下以低流量损失实现高传热速率。薄散热片的平面垂直于转子轴线,使得几乎没有向心加速度引起的弯曲载荷或流体科里奥利加速度引起的压力载荷作用在薄散热片上,并且散热片本身有助于增强环形层叠件堆叠体的周向和径向强度以抵抗向心加速度和流体压力引起的载荷。外壁和内壁连接至螺旋形壁,以更好地传递径向载荷并且还将流体密封在环形层叠件堆叠体内,而可选的外部抗张环可以预加载张力以压缩性地给内部的热交换器加载,从而降低了热交换器的由流体和环形层叠件堆叠体质量上的向心加速度和流体压力产生的应力水平。
[0541] 图22示出了和转子的其余部分分离的图21的热交换器的沿与转子轴线重合的平面截取的等距横截面。环形层叠件堆叠体522坐置于左侧和右侧轴向端板524、526之间,左右侧轴向端板524、526通过与环形层叠件堆叠体的层叠件之间的结合类似的手段刚性地结合至层叠件堆叠体,这些手段中,硬钎焊、软钎焊、熔焊或聚合物粘结是优选手段。该结合手段优选地是足够强的,这将提供必要的轴向抗张强度,以防止热交换器内的内部流体压力使层叠件裂开,然而,如果这些结合不具有足够的强度,则可以通过借助于螺栓528夹紧至右侧轴向端板的可选的抗张保持环518和/或通过可选的内部轴向抗张螺栓520来提供对层叠件堆叠体的附加的轴向压缩载荷。轴向端板提供抵抗作用在整个环形面上的不连续的流体压力而无不可接受的变形所需的刚度,否则变形将倾向于使轴向端板与环形层叠件堆叠体的端部之间的结合脱层。轴向端板还提供适当厚度的刚性基座,将热交换器中的流体输送至或输送离开转子的其它部件的工作流体和传热流体的输送通路(未示出,但包括温热传热流体或低温传热流体或冷却剂流体或高温加热流体传输通路)可以利用防漏手段如熔焊或硬钎焊来结合到该刚性基座上,同时轴向端板还提供足够的强度来承受作用在这些流体传输通路上的向心加速度和流体压力。在该优选实施方式中,工作流体通过绕转子轴线2周向分布在右侧轴向端板中的多个入口孔530进入热交换器,并通过同样绕转子轴线周向分布在右侧轴向端板中的多个出口孔532离开热交换器。传热流体(包括温热传热流体或低温传热流体或冷却剂流体或高温加热流体)通过绕转子轴线周向分布在左侧轴向端板中的多个入口孔和出口孔进入和离开热交换器。单个传热流体入口孔或出口孔534是可见的,并且该孔为围绕转子轴线的一系列这种孔中的一个孔且由左侧轴向端板的外半径附近的相等数目的孔补足,传热流体沿与可见的孔相反的方向流动穿过位于左侧轴向端板的外半径附近的孔。
[0542] 图23中示出了三个不同类型的大致环形轮廓形式的层叠件,每个层叠件均以分离的方式示出,但这些层叠件与它们使用时一样沿转子轴线2排列。当关于转子轴线相对于彼此适当地成角度地定位时,适当的选择的这些层叠件可以大量轴向地堆叠并结合在一起以形成图21和图22中示出的热交换器的环形层叠件堆叠体。
[0543] 第一类型的层叠件536提供形成热交换器内的散热片的材料并仅由形成轴向连接流体通路的孔穿过。由于其相对完整的环形形式,其最有利地由具有相对较高的抗张强度的材料制造,以有助于环形层叠件堆叠体的结构强度和完整性。该第一类型的层叠件与第二类型的层叠件538以交替的轴向顺序组合,第二类型的层叠件538具有形成轴向连接流体通路以及用于工作流体和传热流体两者的螺旋形流体流动通路的穿孔,其中,传热流体为温热传热流体、低温传热流体、冷却剂流体、高温加热流体中的一者。在由钎焊铝板形成的环形层叠件堆叠体的情况下,优选的是,第二类型的层叠件由铝钎焊板切割而成,在该铝钎焊板中,在较厚的合金芯板的任一侧上有一薄层钎焊合金包层,其中合金芯板具有比包层钎焊合金更高的熔化温度,从而供给将环形层叠件堆叠体结合在一起所需的钎焊合金。在将铝环形层叠件堆叠体软钎焊在一起的情况下,第一类型的层叠件和第二类型的层叠件将通常需要被镀有或包覆有可软钎焊的合金层。这些第一类型的层叠件和第二类型的层叠件可以通过从恒定厚度金属板原料切割出它们来制造,然后将它们夹紧在一起成为堆叠体,并用适当的助熔剂和周围气体加热以将环形层叠件堆叠体硬钎焊或软钎焊在一起,从而提供用于形成热交换器的非常简单且相对低成本的方法。
[0544] 第三类型的层叠件540有效地是结合在一起成为在其整个面上的不同区域中具有不同轴向厚度的单个层叠部件的第一类型层叠件和第二类型层叠件的组合。第三类型的层叠件540具有与第一类型的层叠件相同的用于轴向连接流体通路的穿孔区域,但它还具有在形成螺旋形流动通路542的螺旋形壁结构之间的厚度减小的区域。这些螺旋形流体流动通道的轴向厚度的厚度可以针对工作流体和传热流体制造得不同,这可以具有提高热传递速率或减少流动损失的优点。该第三类型的层叠件的优点在于,它只需要单一的层叠件类型以形成环形层叠件堆叠体,并且每个层叠件均比第一类型层叠件和第二类型层叠件更厚且更坚固,且需要结合面积的总量的一半。但形成该层叠件更困难,并且可能会需要化学加工、锻造或其它冲压工艺来由适当的金属板原料形成具有不同厚度的区域。对于使用硬钎焊由铝制成的构造而言,仅一侧具有钎焊合金包层的硬钎焊板可能可以用作金属板原料,但对于软钎焊的铝结构,将有可能需要是焊合金镀在第三类型的层叠件的两侧上。
[0545] 图24中示出了与转子的其余部分分离的热交换器的替代性实施方式,该热交换器被示出为在与转子轴线重合的平面中截取的等距横截面,并且热交换器内的单个横截的层叠件544被示出向左侧轴向地移位。就热交换流动通路密切接近于转子轴线2而言,该热交换器是将最有效地应用于本发明的发动机中以冷却工作流体或应用于本发明的热泵中以给工作流体加温的类型。环形层叠件堆叠体546结合在左侧轴向端板548与右侧轴向端板550之间,左侧轴向端板548和右侧轴向端板550通过与环形层叠件堆叠体的层叠件之间的结合类似的手段刚性地结合至层叠件堆叠体,这些手段中,硬钎焊、软钎焊、熔焊、扩散粘结或聚合物粘结是优选手段。总的来说,该结合手段必须具有足够轴向抗张强度,以防止热交换器的环形层叠件堆叠体内的内部流体压力使将层叠件保持在一起的接合轴向地分裂开,然而,如果这些结合不具有足够的强度,那么可以通过由借助于螺母554拉紧的可选的中央抗张构件552对环形层叠件堆叠体施加轴向压缩载荷来提供对层叠件堆叠体的附加的轴向压缩加载。
[0546] 工作流体通过中央工作流体传输通路556和外部圆形阵列的工作流体传输通路558进入和离开热交换器,外部圆形阵列的工作流体传输通路558将工作流体输送至和输送离开转子的其它部件(未图示)并且连接至贯穿左侧轴向端板的孔以连接至环形层叠件堆叠体内的轴向工作流体连接通路。这些轴向工作流体连接通路中成对的径向内部通路
560和径向外部通路562通过大量工作流体流动通道564流体地连接在一起,工作流体并行流过穿过所述大量工作流体流动通道564并且在所述大量工作流体流动通道564中发生大多数进出工作流体的热传递,并且所述大量工作流体流动通道564呈大致螺旋形的形状,且优选地所述大量工作流体流动通道564的横截面面积随半径增大而减小从而补偿随半径增大的工作流体密度进而保持更一致的流动速度。传热流体为包括温热传热流体或低温传热流体或冷却剂流体或高温加热流体的名单中的一者。传热流体通过穿过右侧轴向端板并连接至轴向传热流体连接通路的孔流入到热交换器中以及从热交换器流出,仅示出了这些轴向传热流体连接通路中的单个内轴向传热流体连接通路566。还示出了穿过右侧轴向端板的其中一个径向最内侧孔568。环形层叠件堆叠体内的外轴向传热流体连接通路570显示在单个分离的层叠件上并且通过右侧轴向端板与传热流体径向输送通路572连接。传热流体入口和出口流是从与转子轴线同心的两个流动通路574和576中通过,这两个流动通路574和576中的一个流动通路将是用于传热流体的入口并且这两个流动通路574和
576中的另一个流动通路将是用于传热流体的出口。在不存在如图22中示出的实施方式中的围绕抗张环的情况下,环形层叠件堆叠体的坚实的、周向的径向外壁578必须提供足够的强度来抵抗环形层叠件堆叠体内的向心加速度和流体压力引起的载荷。
[0547] 在环形层叠件堆叠体内,传热流体并行地流过传热流动通路580,传热流动通路580流体地连接内轴向传热流体连接通路与圆形阵列的外轴向传热流体连接通路。
[0548] 图25示出了另外的三个不同类型的层叠件,每个层叠件均以分离的方式示出,但这些层叠件与它们使用时一样沿转子轴线2排列。这些层叠件用于在图24中示出的径向更紧凑的热交换器中使用。每个层叠件均以分离的方式示出为沿转子轴线2排列,并且当关于转子轴线适当地成角度地定位并与选自该组的其它层叠件组合时,这些层叠件可以大量轴向地堆叠并结合在一起以形成图24中示出的热交换器的环形层叠件堆叠体。
[0549] 第一类型的层叠件581提供形成热交换器内的散热片的材料并仅由形成轴向连接流体通路的孔穿过。由于其相对完整的环形形式,其最有利地由具有相对较高的抗张强度的材料制造,以有助于环形层叠件堆叠体的结构强度和完整性。该第一类型的层叠件与第二类型的层叠件582以交替的轴向顺序组合,第二类型的层叠件582具有形成轴向连接流体通路以及用于工作流体和传热流体两者的螺旋形流体流动通路的穿孔,其中,传热流体为温热传热流体、低温传热流体、冷却剂流体、高温加热流体中的一者。
[0550] 第三类型的层叠件584有效地是结合在一起成为在其整个面上的不同区域中具有不同轴向厚度的单个层叠部件的第一类型层叠件和第二类型层叠件的组合。第三类型的层叠件584具有与第一类型的层叠件相同的用于轴向连接流体通路的穿孔区域,但它还具有在形成螺旋形流动通道586的螺旋形壁结构之间的厚度减小的区域。
[0551] 图26示出了另外的五个交替的层叠件,每个层叠件再次均以分离的方式示出,但这些层叠件与它们使用时一样沿转子轴线2排列。这些层叠件可以组合并结合在一起以形成具有比传热流体散热片更多的工作流体散热片的热交换器。每个层叠件均以分离的方式示出为沿转子轴线2排列,并且当关于转子轴线适当地成角度地定位并与选自该组的其它层叠件以适当的顺序组合时,这些层叠件可以大量轴向地堆叠并结合在一起以形成图24中示出的热交换器的环形层叠件堆叠体。
[0552] 第一类型的层叠件588形成热交换器内的大多数散热片并且仅由形成用于工作流体和传热流体的轴向连接流体通路的孔穿过。第二类型的层叠件590按轴向顺序跟随在该第一类型的层叠件之后,第二类型的层叠件590除具有形成轴向连接流体通路的切口之外还具有第一圆形阵列的螺旋形通道切口以及相等数目的第二圆形阵列的螺旋形通道,所述第一圆形阵列的螺旋形通道切口流体地连接成对的径向内轴向工作流体连接通路和径向外轴向工作流体连接通路,所述第二圆形阵列的螺旋形通道按周向顺序与第一组螺旋形通道交替并且将径向内轴向传热流体连接通路以与工作流体流体分离的方式流体地连接至所有径向外轴向传热流体连接通路。按该轴向顺序紧跟第二层叠件的是第三类型的层叠件592,第三类型的层叠件592具有相同的用于轴向连接流体通路的切口,但仅具有将径向内轴向传热流体连接通路连接至所有径向外轴向传热流体连接通路的圆形阵列的螺旋形通道,而没有一组匹配的用于工作流体的螺旋形通道。此序列中的第四类型的层叠件与第二类型的层叠件相同,从而完成之后由第一类型的层叠件和第二类型的层叠件接续并以此类推的重复顺序。组合在一起,这四层轴向序列形成图示出了该四层序列的四层环形层叠件堆叠体重复组594,并且其中在工作流体螺旋形流动路径中有两倍于传热流体流动路径中那么多的散热片596,因此在工作流体螺旋形流动路径中散热片之间具有更小的轴向间隙。
[0553] 该四个层叠件序列以及上文参照图23和图25描述的两个层叠件序列、单个多厚度层叠件可以通常被表示为1或2n个层叠件的层叠件堆叠体内的重复轴向序列,其中,n是自然数。也就是说,该序列每第一层叠件、第二层叠件、第四层叠件、第六层叠件等地重复。
[0554] 这种布置对于一些工作流体和传热流体的组合而言并且特别是在工作流体和传热流体的粘度和热导率没有很好地匹配时可以具有显著的优势。例如水通常具有比氙气高得多的热导率和粘度,并且这可能使得有利的是使在用于氙气的散热片之间的轴向间隙窄于在用于水的散热片之间的轴向间隙,以针对两种流体在压力损失与热传递速率之间取得期望的折衷。还应当理解的是,这种风格的构造也可以适用于针对在一种流体的重复轴向序列的层叠件层中的每个单一散热片,在另一种流体的重复轴向序列的层叠件层中有不只是两个散热片而是三个、四个或更多个散热片的情形。
[0555] 图27中示出了结合有图26中示出的四层重复序列的环形层叠件堆叠体的热交换器的变型,该热交换器在等距图中示出并在与转子轴线2重合的平面中被横截。示出了与传热流体螺旋形流动通路散热片600相比,环形层叠件堆叠体内的工作流体螺旋形流动通路散热片598的数目成双倍。另外存在抗张保持环602,抗张保持环602优选地热配合在结合在一起的左侧轴向端板604、环形层叠件堆叠体606和右侧轴向端板608上使得张紧环由于到该层叠件的堆叠轴向组件的外圆筒形表面上的不同热膨胀而收缩,并且轴向端板将在堆叠的轴向组件中沿周向、径向和轴向方向创建压缩应力,该压缩应力有助于克服否则可能使层叠件堆叠体和轴向端板破裂开的向心加速度和流体压力引起的应力。这可以允许使用层叠件堆叠体中的材料和结合方法以及否则将对于热交换器绕转子轴线的旋转所需的速度而言不够强的轴向端板。
[0556] 图28中示出了本发明的热泵的简化流程图和截面图,其示出了两种并不一定相互兼容的转子传热流体入口选项。转子内的流体循环和辐射热传递的细节与图7中示出且在上文中描述的实施方式的转子内的流体循环和辐射热传递的细节相同。转子610在未示出的转子支承轴承上绕转子轴线2旋转。
[0557] 来自温热传热流体外部储存器612的温热传热流体(其中,水是优选示例)具有比大气压力低很多的蒸气压力。温热传热流体通过温热传热流体泵614泵送穿过温热传热流体过滤器616并且穿过转子真空密封件618进入到转子中,由于密封的温热传热流体储存器620带来的内部的气体压力等于温热传热流体的蒸气压力因此转子真空密封件618仅承受相对较低的压力差。转子真空密封件优选地为磁性流体密封件或动态密封件或一些其它形式的液体阻挡物密封件以减少泄漏。从温热传热流体转子入口622的任何泄漏以及转子真空密封件的温热传热流体储存器侧上的任何蒸气冷凝物通过重力排回到温热传热流体储存器中。温热传热流体在转子内被加热并且在转子外冷却器626中由散热流体624冷却,同时在温热传热流体与散热流体之间保持流体隔离。真空泵628将泄漏到转子壳体630中的任何温热传热流体蒸气抽回到已经低压的温热传热流体储存器中,从而与抽空转子壳体到大气中相比降低了所需的必要真空泵送力。
[0558] 来自低温传热流体外部储存器632的低温传热流体由低温传热流体泵634泵送穿过低温传热流体过滤器636以在低温传热流体转子入口638处进入转子。因为所用的低温传热流体在其操作温度下具有非常低的蒸气压力,所以低温传热流体与转子壳体之间不存在转子真空密封件,并且因此导致非常小的风阻。钠钾共晶液是用于该非旋转密封传热流体入口的适合的液体的优选示例,并且还有也可以是合适的其它低蒸气压液体,如各种真空泵送油。来自低温传热流体转子入口的泄漏物利用重力排回到低温传热流体储存器640中,并且低温传热流体在转子外加热器644中由外部热源流体642加热,转子外加热器644保持低温传热流体与外部热源流体之间流体隔离。
[0559] 虽然该图28中示出了两种不同的转子传热流体入口选项,但是使用钠钾共晶合金可能与可以用于润滑或在阻挡物液体密封件中使用的一些其它液体不兼容或与可能形成在来自这些润滑或密封液体的热表面上的一些分解产物不兼容。通过适当的流体类型的选择,这两种不同的转子传热流体入口选项中的任一者可以在下述传热流体中的任一者上使用:低温传热流体、温热传热流体、高温加热流体或冷却剂流体。
[0560] 图29中示出了本发明的热泵的简化流程图和截面图,其中,工作流体的循环通过电动压缩机驱动,并且示出了两个并不一定相互兼容的转子传热流体入口选项。转子650在两个滚动元件转子支承轴承654上绕转子轴线652旋转,所述两个滚动元件转子支承轴承654在转子壳体外安装在径向柔顺轴承座656上,径向柔顺轴承座656允许一旦转子速度高于径向振荡的第一固有频率时以转子轴线为中心的自动平衡器环形腔658内的自动平衡器滚子和少量粘性流体就自己周向地分布成倾向于使旋转转子组件的质心与转子轴线一致地对准的布置。组合的旋转感应耦合器和转子驱动马达660驱动转子以所需旋转速度旋转并通过两个轴向空气间隙664上的电磁感应从外部电源662将电力传输到转子中以驱动压缩机马达666,这有助于使通过感应耦合器和转子驱动马达施加至转子的所得净磁力最小化,并且还使径向磁力最小化,否则这些磁力可能阻碍自动平衡系统根据需要工作。
[0561] 压缩机马达优选地是针对高效率和低质量的永磁体无刷整流类的,并且给二级动态压缩机提供动力,二级动态压缩机使用串联流动联接的或者径流式或者轴流式的两个推进器来驱动工作流体循环,这样可能在试图达到高提升值时是最有益的。压缩机推进器和马达在转子中绕与转子轴线一致的轴线但在与转子相对于转子壳体旋转的方向相反的方向上相对于转子旋转(对转)。
[0562] 除两级压缩机之外,工作流体循环通过与针对图6详细描述的系列过程相同的一般顺序的过程以在工作流体冷却器668中加热温热传热流体并在低温工作流体加热器670中冷却低温传热流体,从而作为热泵操作。
[0563] 转子壳体672通过真空泵674部分地抽真空,真空泵674优选地仅间断地操作,从而在转子壳体内的压力太高时开启并在转子壳体内的压力足够低时关闭。真空泵排出到低温传热流体储存器678中的处于优选地在低温传热流体的蒸气压力下或在低温传热流体的蒸气压力附近的压力下的蒸气空间676中。低温传热流体借助于热交换器682通过低温热源680加热。低温传热流体流过过滤器684以从液体中移除任何碎屑并且然后通过低温传热流体入口蒸气空间686中的低温传热流体入口进入到转子中,低温传热流体入口蒸气空间686通过低温传热流体泵688将液体排出,低温传热流体泵688还将离开转子的低温传热流体泵送回到低温传热流体储存器中。
[0564] 低温传热流体入口蒸气空间通过两个密封件与抽真空的转子壳体密封隔离;聚合物唇形密封件690在转子停止或缓慢旋转时限制泄漏,但当在高速下向心加速度使其伸展并与其密封表面断开接触时则停止密封,从而减少了唇形密封件的磨损和摩擦,第二密封件692为非接触式排出密封件,也称为动态密封件或外驱密封件,该第二密封件692仅当容纳在面向内的回转空腔694内的阻挡流体被附接至转子的推进器盘696以防止盘的两侧之间的气压差克服建立在阻挡流体中的径向压力梯度的足够高的速度驱动而在空腔内旋转时密封。这在速度足够高之后防止了推进器盘的两侧之间的气体泄漏。排出密封件甚至在存在转子的径向振荡或明显的未对准时仍然具有低摩擦损失、没有磨损部分且具有保持密封的能力,但仅在旋转速度足够高时密封。该优选构型的唇形密封件仅在低速度下密封并因此作为转子真空密封件补充排出密封件的操作。用于用作转子真空密封件的排出密封件的阻挡流体优选地具有低粘度和低蒸气压,优选的是用于真空应用而开发的油。
[0565] 低温传热流体入口蒸气空间通过低温传热流体泵的排流减少了阻挡流体受低温传热流体污染的可能性。排出密封件的阻挡液体在高速操作期间受到摩擦加热,并且在操作中通过向流经穿过排出密封件推进器盘的内直径的流动通路的低温传热流体热传递而被冷却。
[0566] 温热传热流体700被存储在温热传热流体储存器698中,温热传热流体储存器698优选地在液体上方的空间内具有与温热传热流体的蒸气压力大致相同的气体压力,并且来自温热传热流体转子入口702或出口704的旋转液力耦合器(耦合器的实体细节未图示)的任何流体泄漏通过重力排出到温热传热流体储存器698中。温热传热流体泵706泵送温热传热流体通过过滤器708以在其进入转子之前移除任何不想要的颗粒或碎屑。温热传热流体经由两个互补的转子真空密封件进入和离开转子。第一个真空密封件是仅在高速度下起作用的排出密封件710,第二个真空密封件是磁性流体密封件712,磁性流体密封件712使用包含小的铁磁性颗粒的磁阻挡流体,该磁性流体密封件712通过穿过转子的铁磁性部段与安装在转子壳体外的固定的环形形状的永磁体之间的磁通的环保持就位。阻挡液体保持在各自能够承受通常小于20kPa的流体压力差的环形形状的条带中,因此必须使用多个这种条带来承受更大的压力。磁性流体密封件在低速下或停止时密封得非常好,但由于摩擦热和向心加速度扰乱其密封能力,因此通常具有有限的高速能力。磁性流体密封件在低速时的近乎完美的密封有效地补充了排出密封件在高速下可以实现的近乎完美的密封。
[0567] 温热传热流体在其穿过磁性流体密封件和排出密封件各自的内直径中的流动通路时冷却磁性流体密封件和排出密封件两者的阻挡流体。温热传热流体储存器借助于热交换器716被冷却剂流体714冷却。
[0568] 图30中示出了本发明的发动机的简化流程图和截面图,该发动机中使用多个接收器盘且具有单个转子轴承。该热力循环类似于图11的热力循环,但在径向向外流过工作流体冷却器718之后,工作流体流分成两条流动路径并且工作流体并行地径向向外流动,从而经受优选近似绝热的压缩同时流向两个接收器盘720的外周附近,并且然后径向向内流动从而通过传导从位于两个周向分布的热交换器723中的每个盘的每一侧面上的辐射接收器区域721吸收热量。工作流体然后在离开每个盘的流动分支又合在一起的情况下径向向内流动而流过二级动力涡轮722,二级动力涡轮722优选地是动态型的,由径流式涡轮或轴流式涡轮连接在一起构成以驱动产生电的涡轮发电机724的旋转,涡轮发电机724优选地具有发电机转子,发电机转子包含附接至涡轮的永磁体以减轻重量并增大效率。这些动态涡轮和发电机具有优选地与转子轴线一致的旋转轴线并优选地相对于转子沿相同的方向旋转,而该转子壳体726相对于转子730不是沿该相同的方向旋转,从而有效地相对于转子对转,以减小涡轮和发电机的绝对旋转速度,从而减小它们的轴承载荷。
[0569] 涡轮发电机通过液态金属旋转耦合器728将电力传输至外部载荷,在液态金属旋转耦合器728中,液态金属优选含有镓。
[0570] 辐射接收器盘通过三个辐射管734加热,所述三个辐射管734在盘的每一侧上环绕转子轴线并且优选地由高温能力的金属合金或陶瓷制成,该金属合金或陶瓷还优选地相对不透气。优选廉价的烃燃料与空气燃烧并且被吹送通过这些辐射管的内部以将它们加热到高温。为了减少损失,辐射管由耐高温隔热材料736包围只留下面向辐射接收器的区域不限制自由地辐射热能。为了进一步提高辐射加热器的效率,由管式辐射器744排出的高温燃烧气体被引导通过回热式热交换器738以在其与空气混合并燃烧之前预热通过送风机740泵送的进入的空气742。燃烧气体顺序地流动穿过每个辐射器管,其中,逐步增多的燃料在排放通过同热器之前被添加在每个管中并在其中燃烧。一部分燃料在各辐射器管中燃烧,以便限制最大燃烧气体温度,并由此减少对辐射器管的损害并产生较少的有害排放物。优选地,所引入的空气的量被限制为仅仅只是足以提供充分燃烧总燃料流所需的氧气的量,因为这样会减少回热器和空气泵中的空气和排气的质量流,并减少来自回热器的热排气746中的废热损失。
[0571] 转子从安装在径向柔顺轴承座750中的单个转子轴承748悬置,使得转子轴线与施加至热力机的外部加速度平行地对准。在大多数固定应用中,仅有的外部加速度将来自重力,但对于一些移动应用或车辆应用而言,可以存在可变的加速度方向,在这种情况下,允许转子壳体重新定向以保持转子轴线与加速度的平行对准的常平架是优选的。单个轴承具有减小摩擦损失的优点,并且还可以使得能够使用具有更长的使用寿命并降低摩擦的较小直径的轴承。单个轴承还可以消除否则可能需要用来防止传热流体与转子轴承发生接触的密封件。自动平衡器752和径向柔顺轴承座操作成在高速操作期间维持涡轮旋转轴线与转子轴线大致一致,以减少涡轮和发电机轴承上的载荷。
[0572] 具有安装在转子壳体内的轴向磁通马达定子以及安装在转子外的轴向磁通马达转子的轴向磁通马达754以所需的操作速度加速并保持转子速度来克服各种摩擦损失。采用轴向磁通马达减少否则可能干扰转子自动平衡器的操作的扰动径向磁力,其中转子自动平衡器即使当流体在转子内移动并改变密度时仍维持转子的平衡。
[0573] 真空泵756给转子壳体部分地抽真空并且排放到冷却剂流体储存器的蒸气空间中,冷却剂流体储存器在冷却剂流体储存器757内的热交换器759中由外部冷却剂758冷却。真空泵优选地不连续地操作以将转子壳体内的真空压力保持在期望的下限与上限之间。该储存器蒸气空间优选地在接近冷却剂流体的蒸气压力的压力下。为排出密封件760的旋转真空密封件位于冷却剂流体储存器的蒸气空间与转子壳体的内部之间,并且由通过冷却剂流体泵762泵送穿过其内直径内的通路的冷却剂流体进行冷却。排出密封件可以在保持气密密封的同时有利地适应转子的一些径向振荡。
[0574] 图31是为清楚起见省去了许多细节和一些部件的本发明的热泵的简化流程图和截面图,其示出了热泵内的流体流动的总体构型,其中,该热泵利用离心热虹吸来产生使工作流体循环通过热泵循环所需的压力增益,并且利用外部加热的高温加热流体来提供驱动工作流体离心热虹吸的热能。工作流体绕转子780内的气密密封的工作流体循环路径循环,转子780在转子轴承776上绕转子轴线782旋转,转子由转子壳体784内的转子马达778驱动,转子壳体784通过真空泵786部分地抽真空以将转子风阻降为低值。转子真空密封件788在转子的每个轴向端部处提供旋转转子与转子壳体之间的旋转密封,通过该旋转密封,流体可以以与转子和转子壳体之间的部分抽真空的空间流体隔离的方式进入和离开转子。
[0575] 优选地主要为包括氙气、氪气和氩气的名单中的一者或更多者的工作流体绕转子内的气密密封的工作流体循环路径循环。工作流体径向向外流动穿过压缩通路790,从而由于转子向心加速度作用在工作流体上而经受压缩并进行加热,同时优选地进出工作流体的热传递很少。工作流体然后径向向外流过工作流体冷却器792,即热交换器,在该热交换器中工作流体通过传向温热传热流体的热传递而被冷却,同时在优选地接近等温压缩过程的过程中经历进一步压缩。工作流体然后在转子的最大半径处或转子的最大半径附近流过高温热交换器794,在高温热交换器794中,工作流体被高温加热流体流加热,该高温热交换器优选地是逆流热交换器以对于给定的高温加热流体的转子入口温度而言尽可能多地提高工作流体的温度。工作流体然后径向向内流动穿过膨胀通路796,从而由于转子向心加速度作用在工作流体上而进行膨胀并冷却。为了完成工作流体循环路径,工作流体然后径向向内流过低温工作流体加热器798,即热交换器,在该热交换器中工作流体被来自低温传热流体的热传递加热,同时在优选地接近等温膨胀过程的过程中经历进一步膨胀。
[0576] 温热传热流体和低温传热流体两者经由在转子的每个端部处的转子轴线上的液力耦合器进入和离开转子,另外,优选地,高温加热流体也与温热传热流体在相同的端部进入和离开转子。温热传热流体在转子外部在转子外冷却器800中被冷却,温热传热流体在转子外冷却器800中可以被用于加热的目的并将热量传递到散热流体802,散热流体802在大多数情况下将是空气、水或醇。温热传热流体然后穿过温热传热流体泵804和温热传热流体过滤器806以在温热传热流体重新进入转子之前除去碎屑。在一些情况下,可以不需要温热传热流体泵,因为有可能完全依靠转子内的温热传热流体内的离心热虹吸来产生使温热传热流体循环所需的压力增益,或泵可以被整合到转子的温热传热出口的转子液力耦合器中用作由转子马达供以动力的离心泵。过滤器可能并非总是必要的,并且温热传热流体可以简单地从大的贮存器供给,而不是通过与另一散热流体热传递来冷却。低温传热流体在转子外部在转子外加热器808中被加热,低温传热流体在转子外加热器808中可以被用于冷却的目的并且从散热流体810吸收热量,散热流体810在大多数情况下将是空气、水或醇。低温传热流体然后穿过低温传热流体泵812和低温传热流体过滤器814以在低温传热流体重新进入转子之前除去碎屑。在一些情况下,泵可以被整合到转子的低温传热出口的转子液力耦合器中用作离心泵。过滤器可能并非总是必要的,并且低温传热流体可以简单地从大的贮存器供给,而不是通过与另一散热流体的热传递来升温。高温加热流体在转子外部在外部高温加热器816中通过热源加热,热源的示例可以包括:地热、太阳能热、发动机排气的热、发动机冷却剂、核热或燃料的燃烧。高温加热流体由高温加热流体泵818泵送以克服转子内的高温加热流体的离心热虹吸的阻滞压力,并且高温加热流体在进入转子之前被高温加热流体过滤器820过滤,但该过滤器可以并非总是必要的,并且高温加热流体泵有可能可以整合为位于转子高温加热流体出口内的动力泵。存在可以构成高温加热流体的诸多流体。在高温下,液态碱金属或离子化合物是优选的高温加热流体,而碳氢化合物或水对于低温是优选的,也可使用气态高温加热流体,其中空气、氢气和氦气是优选的示例。
[0577] 热泵的这种构型是有利的,因为即使在相对较低的温度下该热泵仍然有可能能够从流体流诸如发动机冷却剂或发动机排气中提取能量用于加热或冷却目的,并且因此可以降低总能量消耗。
[0578] 图32是为清楚起见省去了许多细节和一些部件的本发明的热泵的简化流程图和截面图,并且其示出了热泵内的流体流动的总体构型,该热泵除在转子内的工作流体流动路径方面的一些不同之外与图31的热泵相同。
[0579] 工作流体绕转子880内的气密密封的工作流体循环路径循环,转子880在转子轴承876上绕转子轴线882旋转,转子880由在转子壳体884内的转子马达878驱动,转子壳体884通过真空泵886部分地抽真空以将转子风阻降至低值。转子真空密封件888在转子的每个轴向端部处提供旋转转子与转子壳体之间的旋转密封,通过该旋转密封,流体可以以与转子和转子壳体之间的部分抽真空的空间流体隔离的方式进入和离开转子。
[0580] 优选地主要为包括氙气、氪气和氩气的名单中的一者或更多者的工作流体绕转子内的气密密封的工作流体循环路径循环。工作流体径向向外流动穿过压缩通路890,从而由于转子向心加速度作用在工作流体上而经受压缩并进行加热,同时优选地进出工作流体的热传递很少。工作流体然后径向向外流过工作流体冷却器892,即热交换器,在该热交换器中工作流体通过传向温热传热流体的热传递而被冷却,同时在优选地接近等温压缩过程的过程中经历进一步压缩。工作流体然后径向向外流过压缩通路893进行进一步优选近似绝热的压缩并加热,工作流体然后在转子的最大半径处或转子的最大半径附近流过高温热交换器894,在高温热交换器894中,工作流体被高温加热流体流加热,该高温热交换器优选地是逆流热交换器以对于给定的高温加热流体的转子入口温度尽可能多地提高工作流体的温度。工作流体然后径向向内流动穿过膨胀通路896从而由于转子向心加速度作用在工作流体上而进行膨胀并冷却,并且然后径向向外流过第二工作流体冷却器897,即热交换器,在该热交换器中工作流体通过传向温热传热流体的热传递而被冷却,同时在优选地接近等温压缩过程的过程中经历进一步压缩。工作流体然后径向向内流过膨胀通路899,进行膨胀并冷却。为了完成工作流体循环路径,工作流体然后径向向内流过低温工作流体加热器898,即热交换器,在该热交换器中工作流体因来自低温传热流体的热传递被加热,同时在优选地接近等温膨胀过程的过程中进行进一步膨胀。
[0581] 图33是为清楚起见以与热力机的其余部分分离的方式示出的本发明的热力机中的用于将辐射热能传输至附接于转子的辐射接收器的热导管辐射管的简化的截面图。中空辐射管900形成为当安装在本发明的热力机中时定中心在转子轴线上的完整的圆。管形成热导管的冷凝表面,在管中沸腾器902中产生的蒸气冷凝在管的内表面上而形成冷凝液体,冷凝液体然后在重力或使用中施加的其它加速度的影响下通过连接颈部904流回到沸腾器中。许多种流体可以在沸腾器内采用,这取决于期望实现的温度范围。用于热导管的可能的候选流体是铯、钾、钠和锂。
[0582] 热导管沸腾器是包被在厚的隔热层中的金属容器,其对于各种加热源的应用提供了更大的灵活性,并且可以通过一个以上的热源有效地加热。图示出了三种不同的热源。第一热源是来自太阳906的集中的太阳辐射907,由菲涅尔透镜908聚集,进到热导管沸腾器中的小孔口910中,小孔口910开通到太阳能接收腔912中,在太阳能接收腔912中,热能可以通过壁吸收以煮沸热导管沸腾器内的流体。集中阳光在可获取时能够为本发明的热力机提供廉价且清洁的能源,其在阳光充足的天气对于冷却非常有用。采用抛物面镜也是集中阳光用于热导管沸腾器的优选的解决方案。
[0583] 所示的第二热源利用燃料914,燃料914与通过鼓风机918泵送进并泵送通过预加热回热式热交换器920的空气916混合以在燃烧室922中燃烧,然后穿过热导管沸腾器内的热交换器924以煮沸流体,之后使废气回流通过回热器以预热进入的空气。使用回热器减少了排放气体中的废热损失。出于加热、冷却或电力的目的,利用可燃燃料补充太阳能的能力对许多装置而言有可能是非常有利的。
[0584] 所示的第三热源是通过电源928供电的简单的电阻加热器926。这在没有其它更便宜的可用热能来源时将仅对于热泵而言并且仅对于不具有内部压缩机的本发明的热泵而言是有用的。
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