专利名称：将热能转换成机械能的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及热力机技术，特别是一种将热能转换成机械能装置。
内燃机是现在最大量普遍使用的热力机装置，它们一般都存在下述的问题①内燃机的汽缸既是燃烧室也是作高速往复运动的活塞的作功室。这使得任何一种内燃机对燃料的要求都非常的严格；②由于燃料在气缸中是瞬间燃烧并熄灭的，燃烧的环境极不稳定，不利于充分燃烧。采用电子控制电子控制技术虽然可改善燃烧工况，但是毕竟不如“稳定燃烧”的燃烧工况好。③活塞的往复运动转变为旋转运动必然要设置曲轴机构，因此增加了结构复杂性。
外燃机并不特别要求特定的燃料产生的热能工作，即可以利用多种形式的热能转变成机械能，此种特点是内燃机无法比拟的。但是现有的蒸汽轮机主要由锅炉、汽轮机、冷凝器和回水泵组成，体积庞大、重量大，使用不便，它们仅在大中型热机(例如，火电厂中的原动机)中应用，在车用发动机上及小功率范围的应用受到限制。
本发明的目的是提供一种将热能转换成机械能装置，它是利用自身设有吸热器和冷却器的全封闭中空整体刚性转子内设置的反冲喷嘴向转子的切线方向喷射工作介质(工作蒸汽或工作气体)时产生的反作用力使转子旋转，实现热能与机械能转换的。工作蒸汽(或工作气体)由吸热器(通过吸热器壁吸收外界热源热量)产生，喷嘴喷出后的气体由冷却器(通过冷却器壁向外散热)冷却，冷却后的工作介质通过回流通道再流回吸热器进行新的循环。本发明与支座、热源可构成温差式热力机。
本发明主要包括转轴、吸热器、反冲喷嘴、冷却器、工作介质、回流通道组成，并且还可设反冲室、逆止阀、感压式或感温式蒸汽(气体)控制阀；吸热器、反冲室、冷却器彼此同轴并且依次固定连结相通对外全封闭，构成一个全封闭的整体中空刚性转子；回流通道连通吸热器和冷却器，回流通道上也可设回流加压泵和逆止阀；反冲喷嘴设置在反冲室或冷却器内，反冲喷嘴的进汽口与吸热器相通，反冲喷嘴距转轴的轴心距离大于零，喷射方向指向转子的切线方向或有一定偏差(偏离切线方向的角度α＜90°)，反冲喷嘴进汽口与吸热器之间还可设置感温式或感压式蒸汽(气体)控制阀；工作介质(液体工质或者气体工质)充装在全封闭中空转子内。
本发明参照附图详细说明如下
图1为设有反冲室的全封闭转子的结构排列及其内部工质循环过程示意图；图2为反冲室横截面积示意图；图3为全封闭转子第一实施例的纵向剖示图；图4为第一实施例的A-A剖示图；图5为第一实施例的B-B剖示图；图6为第一实施例的改进的B-B剖示图；图7为热力机系统结构示意图；图8为全封闭转子第二实施例的纵向剖示图；图9为全封闭转子第三实施例的纵向剖示图；图10为第三实施例的c-c剖示图。
参照图1，转子具有一个转动轴1、转子本身主要由吸热器2，反冲室3，反冲喷嘴7，冷却器4，回流通道5(兼具回流加压泵)组成；吸热器2，反冲室3，冷却器4彼此同轴并依次固定连结为一个整体刚性中空转子，回流通道5连通吸热器和冷却器；反冲喷嘴7设置在反冲室3内，距轴心距离大于零，如图2，(反冲喷嘴7也可以直接设在冷却器内，而取消反冲室3)，其喷射方向指向切线方向，但也可以有一定的偏差。吸热器内装有液体或者气体工质(图1中箭头表示工质循环过程和方向)。吸热器的作用是通过吸热器壁吸收外界热源的热量，使内部工质吸热(如果是液体工质，吸热后会汽化生成工作蒸汽；如果是气体工质，吸热后只使工质的温度压力上升。为叙述方便以液体工质为例，但其同样适用于气体工质)。
吸热器2产生的工作蒸汽经喷嘴7喷入反冲室3内，图2是反冲室3的横截面示意图，6为转子外壁，反冲室3是一个园盘柱状空间，喷嘴7设置并固定在反冲室3内半径较大处，其进汽口与吸热器相通，工作蒸汽8喷射方向指向切线方向(如图2)，也可以有一定偏差(如图2中喷嘴7处虚线所示)，喷嘴可以有数个。喷嘴7喷射工质后，产生一个反作用力，从而产生一个旋转力矩使转子旋转。其后蒸汽以与转子相反的方向在反冲室内旋转，最后进入半径相对较小的冷却器4内，冷却器4的作用是(通过冷却器壁向外散热)冷却进入其中的蒸汽8(如果是蒸汽将冷凝成液体，如果是气体则只是温度压力下降)。
回流通道5的作用是连通冷却器4和吸热器2，是冷却器4内的工质流回吸热器2的通道。由于冷却器4内的压强小于吸热器2内的压强，所以必须给冷却器4内(冷却后的)工质加压(超过吸热器内的压强)，才能使工质流回吸热器2内。因此冷却器4的旋转半径最好小于吸热器2的旋转半径，使回流通道在冷却器4内的工质入口旋转半径小于回流通道在吸热器2内的工质出口旋转半径，以使冷凝后的工质能够在离心力作用下通过回流通道流回吸热器2内，使回流通道兼具回流加压泵的作用。但是冷却器4的旋转半径也可以大于等于吸热器2的旋转半径，但此时必须另设一个回流加压泵(图1中未画)才行。由于吸热器2与冷却器4之间有反冲室3，所以回流通道的具体位置可以绕过反冲室3也可以从反冲室3中通过。
将本发明反冲式全封闭转子(通过转轴)放置在一个支座(轴承)上，然后用外界热源(各式各样的热源图1中未画)加热吸热器2，吸热器2内工质吸热产生工作蒸汽(以液体工质为例)，之后工作蒸汽从喷嘴7喷入反冲室3内，其反作用力使转子旋转，而被喷嘴7喷出的蒸汽则向相反的方向绕轴1旋转，最后进入冷却器4内，通过冷却器壁向外放出废热，并冷凝成液体，然后液体工质进入回流通道5(依靠离心力的作用或另设的回流加压泵)流回吸热器2内进行新的循环。
此外，在吸热器2与喷嘴7的进汽口之间还可以再设感压式或感温式蒸汽(或气体)控制阀，以使吸热器2内蒸汽达到一定温度或压力时该控制阀才开通，使蒸汽进入喷嘴7并喷出；在回流通道5中也可以设单向逆止阀，以防止其中的工质向冷却器4内流动。所说的感压式蒸汽(气体)控制阀就是阀体通道内设有压力控制元件只有当蒸汽(或气体)的压力达到一定值(事先设定)时，压力控制元件才动作使控制阀开通；所说的感温式蒸汽(气体)控制阀就是阀体通道内设有感温元件，只有温度达到设定值时，感温元件动作，使控制阀开通。
图7是用本发明全封闭转子构成的一种温差式热机系统结构示意图，它主要由支座A、反冲式全封闭转子B和热源C(供热系统)三部分组成。转子B的转轴1支撑在支座A的轴承A1上，支座A的作用是支撑保护全封闭转子B和热源C，同时也起到固定机身的作用；转子B是本发明热力机的能量转换元件，整个能量转换过程中，它与外界只有能量交换没物质交换。热源C的作用是向转子B提供热能。由于使用本发明构成的是一种温差式热机，所以对热源和供热系统没有特别限定。
本发明具有下述优点①可以利用多种能源工作，甚至只要吸热器与冷却器之间有一定的温差就可以工作；②无动态密封，可以省去动态密封装置；③吸热器与冷却器都是随转子一起转动的，与外界热源、冷源都具有转高的对流换热强度，可省略为加强换热强度设置的鼓风机和风扇，整机进一步简化；④喷嘴采用反冲式设计，转子工作时具有自启动特性；⑤吸热器、反冲喷嘴、反冲室、冷却器、回流通道等部件集成在一个封闭转子上，结构高度集成化。
本发明的应用十分广泛，在太阳能利用、海水温差发电、地热开发、余热、废热利用等方面，都比现有任何一种温差式热机简单高效紧凑，尤其是其高度集成化和自启动特性，可以很容易的制造成微小功率热机而且能受热后自动启动，给热力机的应用范围带来了革命性的拓展。
本发明的第一种实施例采用液体为工质(例如水、氟利昂、汞等)。
参照图3，1为转轴，2为吸热器，它是一个空心圆筒状体，它的旋转半径(在转子中)最大，吸热器2上部为圆盘柱状的反冲室3，二者通过圆板状分隔板9分开，分隔板9的外边缘与吸热器内壁相固接。同时参照图4，在反冲室3内，分隔板9上半径稍小处还设有喷嘴7，喷嘴7的进汽口连通吸热器2，其出汽口在反冲室3内，它均布于分隔板9上，其喷射方向指向转子的切线方向(全部顺时针或全部逆时针)。其旋转半径小于的吸热壁内壁且距内壁有一定距离，(以避免转子旋转时，吸热器内的液体工质8从喷嘴7喷出)；在反冲室3上部中心部位有出汽口10，出汽口10通向冷却器4，它是一个半径比吸热器小的具有一定的锥度的圆筒形，以利于冷凝后工作液回流，其大端固接在反冲室3顶部外壁上且半径大于出汽口10，以使出汽口10与冷却器4根部形成一个环形冷凝液收集槽11。参照图5冷却器4根部沿园周还开有孔，回流管5(即回流通道，因此例中它为管状，为叙述方便叫作回流管)从中穿过至收集槽11，另一头通到吸热器2内，它可有数根。
本发明在运行时，(首先将转子放置在支座A上，如图7)先由热源C给转子吸热器加热，其内工作液8受热汽化为工作蒸汽，工作蒸汽经喷嘴7沿切线方向喷入反冲室3，同时转子在反作用力作用下逆时针(如图4)旋转。而蒸汽则顺时针旋转并进入冷却器4内进一步被冷凝成液体，此时液体工质已失去了在吸热器2中吸收的大部分能量，但仍有少量动能使其继续在冷却器内顺时针旋转(如图5)，并在冷却器4大端根部进入回流管5，进而在离心力作用下流回吸热器2内进行新的循环。由于回流管5本身固定在转子上，所以液体工质在进入回流管5入口时将对转子产生一个反向力矩，但液体工质8剩余动能有限所以其远小于喷嘴7产生的力矩，不足以使转子停转。
为了使本发明启动运转更加顺利，还可以启动时先有一个外力(启动电机或手动)带动使转子旋转(与喷嘴7产生力矩方向相同)。
为了减少液体工质8进入回流器管5时产生的冲击和充分的利用液体工质剩余能量，回流管5的进口方向可以偏转朝向工质8流入的方向，也就是偏向转子的旋转方向，如图6；同时，回流管5本身在径向部分也可以采用前弯式设计。
本发明第二个实施例也采用液体为工质，但回流管5采用内置式设计，同时在回流管5的出口处还设置了逆止阀12，在吸热器2与喷嘴7之间还设置了感压式控制阀(控制阀也可以采用感温式)。控制阀的作用是，只有当吸热器2内蒸汽的温度或压力达到设定值时才开启，使蒸汽流出并进一步从喷嘴7中喷出。因此使转子自启动性能更好。
参照图8，1为转轴，2为空心圆筒状吸热器，在吸热器上部隔板9下部设置有圆盘状隔板15，隔板15边缘与吸热器内壁固接，隔板15上开有蒸汽出口13，在出口13处还设有压力式控制阀的阀片14，阀片14的上部有压簧16，压簧16另一端固定在隔板9下面，出口13、阀片14与压簧16共同构成一个压力式控制阀。在隔板15与隔板9之间是圆盘状蒸汽通道17，隔板9的构造与第一例相同，本身为圆盘状，边缘与转子外壳相固接，其上设有喷嘴7(参照图4)。隔板9上部为圆盘柱状反冲室3，在反冲室3顶部中心有出汽口10，圆锥筒状的冷却器4的大端即直接在出汽口10外，使两者间形成一个环形收集槽11，本例中回流管5在环形收集槽11处垂直向下穿过反冲室顶壁、反冲室3、隔板9、隔板15进入吸热器2内，再转向吸热器2内半径较大处(其出口即设在半径较大处)，以使回流管5内的工质在离心力作用下加压，使回流管5内工质压强超过吸热器2内压强，保证工质回流，回流管5本身可以固定在隔板15下面，在回流管5的出口处还设有防止工质逆向流动的逆止阀12。
本发明在工作时(转子放在支座上如图7)，先由热源C加热吸热器，其内工质吸热汽化为蒸汽，当吸热器内进一步升温升压达到控制阀的开启压力时，控制阀的阀片14被顶开使蒸汽通过出汽口13、通道17再经过喷嘴7喷出，转子本身受反作用力开始旋转，而蒸汽则进一步从出汽口10进入冷却器4内，并凝凝成液体，液体工质8在离心力作用下汇集在收集槽11处，并进而进入回流管5流回吸热器2内进行新的循环。
本发明第三实施例也采用液体为工质，并采用回流管5内置式设计，在本例中不设反冲室3。参照图9，1为转轴，2为空心圆筒状吸热器，4为空心园筒状冷却器，吸热器与冷却器同轴，且固接为一体，但冷却器4的半径小于吸热器2，吸热器2的圆板状顶壁9将吸热器5冷却器内部分隔开(所以该处也可以叫隔板9)。在吸热器2的顶壁9上、冷却器4内设有反冲喷嘴7，喷嘴7在顶壁9上的分布参照图10，它距轴心有一定距离，且喷射方向指向切线方向；在冷却器4的根部、吸热器2的顶壁(隔板)9上沿圆周向还开有孔，回流管5从中穿过至冷却器4内，回流管5的另一头伸入吸热器2内再转向半径较大处(出口即设在半径较大处)。
本发明工作时(转子也放在支座上，如图7)由热源C加热吸热器2，其内工质8吸热汽化为蒸汽，蒸汽通过冲喷嘴直接喷入冷却器4内其反作用力使转子旋转，蒸汽通过冷却器壁向外放出废热，同时冷凝成液体，液体工质8(在离心力作用下)附着在冷却器壁上，并进一步流入回流管5再流回吸热器2内进行新的循环。本例由于取消了反冲室3，简化了结构，特别适合微小功率热力机。此类不设反冲室3的全封闭转子也可以加设压力(或温度)控制阀及逆止阀。
权利要求
1.一种将热能转换成机械能的装置，其特征在于它主要包括转轴、吸热器、反冲喷嘴、冷却器、工作介质和回流通道组成，并且还可设反冲室；吸热器、反冲室、冷却器彼此同轴并且依次固定连结相通对外全封闭，构成一个全封闭的整体中空刚性转子；回流通道连通吸热器和冷却器，回流通道上还可设回流加压泵；反冲喷嘴设置在反冲室或冷却器内，反冲喷嘴的进汽口与吸热器相通，反冲喷嘴本身距转轴的轴心距离大于零，反冲喷嘴喷射方向指向转子的切线方向或偏离切线方向的角度α＜90°；全封闭转子内设有工作介质。
2.按照权利要求1所述的热能转换成机械能的装置，其特征在于所说的冷却器旋转半径小于吸热器旋转半径，回流通道在冷却器内的工质入口旋转半径小于回流通道在吸热器内的工质出口旋转半径，回流通道兼作回流加压泵。
3.按照权利要求1所述的热能转换成机械能的装置，其特征在于设有反冲室时，所说的回流通道是绕过反冲室或者从反冲室中通过。
4.按照权利要求1所述的热能转换成机械能的装置，其特征在于不设有反冲室时，所说的回流道是从转子外部连通吸热器和冷却器或者是直接穿过冷却器和吸热器之间的隔板。
5.按照权利要求1所述的热能转换成机械能的装置，其特征在于所说的回流管5在冷却器内的入口方向偏向转子的旋转方向；冷却器5本身在径向的部分也为前弯式。
6.按照权利要求1所述的热能转换成机械能装置，其特征在于所说的回流通道上还可设逆止阀。
7.按照权利要求1所述的热能转换成机械能装置，其特征在于所说的反冲喷嘴进汽口与吸热器之间还可设置感压式或感温式控制阀。
全文摘要
本发明是一种将热能转换成机械能的装置。本发明是由转轴、吸热器、反冲室或不设反冲室、反冲喷嘴、冷却器和回流通道组成的全封闭转子;吸热器、反冲室、冷却器彼此同轴并且依次固定连结相通对外全封闭,构成一个全封闭的整体中空刚性转子;全封闭转子内设有工作介质;回流通道连通吸热器和冷却器,回流通道上还可设回流加压泵和逆止阀。由支座、全封闭转子、热源可构成热力机。本发明可利用多种能源工作,结构简单紧凑,各功能器件高度集成化,无动态密封,机械磨损小,寿命长,可靠性高,应用广泛。
文档编号F03G7/06GK1243917SQ9811654
公开日2000年2月9日 申请日期1998年8月4日 优先权日1998年8月4日
发明者王晓东 申请人:王晓东