专利名称：液压系统热能回收利用方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种液压系统热能回收利用方法及装置，其是利用热泵技术以及液体吸热汽化、膨胀做功原理回收并利用液压系统运行过程中产生的热能的方法及装置，可应用于液压传动领域。
背景技术：
液压设备工作时，有多方面的功率损失，主要包括泵、马达和液压缸内部的机械摩擦和粘性阻力损失；压力阀、流量阀中的节流损失；方向阀和管道中的压力损失以及各种元件的内外泄漏损失等。一般液压系统的传动效率只有60％～70％，这就意味着原动机所提供功率的30％～40％将被损失掉，而这些损失最终都转化成热，这些热量除一小部分散发到周围空间外，绝大部分使液压油和元件温度升高。如果液压油温度过高(大于80℃)将严重影响液压系统正常工作，所以现有液压传动系统通过不同方式(如，风冷、水冷)对系统进行散热，以保持液压油工作在一定温度范围内。对于这些冷却系统来说，首先需要外界提供一定能量来驱动风机或者水泵，使高温液压油与低温的风或者水进行热交换，从而将系统运行过程中产生的热能散失掉。
可见，现有的冷却系统不但没有利用液压传动系统运行过程中产生的热能，还需要消耗一定能量来将这部分热能散失掉，是极大的能源浪费。因此，如何充分利用液压系统运行过程中产生的热能，节约能源，降低损失，提高液压系统传动效率就成了一个亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术所存在的问题，本发明目的就是研制一种充分利用液压系统运行过程中所产生的热能的方法，即应用热泵技术将液压系统运行过程中产生的热能收集于一集热缸中，再将低沸点工质喷入该集热缸中，低沸点工质在该集热缸中吸热、汽化，工质内能增大，通过一能量转换机构将工质内能转化成液压油的压力能，回馈到液压系统中，同时降低液压油的温度使其维持在一定范围内。
根据上述方法设计液压系统热能回收利用装置，该装置的特征在于包括一集热缸和一能量转换机构，该集热缸由外部的桶形绝热壁、内部的桶形导热壁、导热壁与绝热壁之间的相对高沸点、导热性能好的液体以及热泵导热盘管构成，热泵导热盘管自上而下缠绕于绝热壁与导热壁之间，浸没在其间的液体中，部分热泵导热盘管穿越导热壁上部进入集热缸内部。
热泵导热盘管的入口通过热泵工质传输管路与压缩机出口相连，热泵导热盘管出口经膨胀阀与蒸发器入口相连，蒸发器出口通过热泵工质传输管路与压缩机入口相连，蒸发器安装于液压系统中。系统运行时，热泵工质从热泵导热盘管入口进入集热缸，从热泵导热盘管出口流出集热缸，热泵工质输送来的热能将被收集于该集热缸中。
集热缸顶部安装喷嘴，喷嘴位于导热壁顶部与穿越导热壁的热泵导热盘管之间，喷嘴通过导管与低沸点工质容器底部连接，容器中装有低沸点工质，容器上部空间经冷却管通过排气管与由第一活塞以及导热壁构成的空间A连通，排气管与导管上分别装有排气阀与快速开关阀。
能量转换机构由第一活塞、连杆、弹簧、弹簧挡板、第二活塞以及油缸构成，第一活塞安装于导热壁内部，第二活塞安装于油缸内部，通过连杆同轴连接，油缸顶部跟绝热壁底部同轴连接，第一活塞底部与绝热壁底部之间安装弹簧，弹簧套装在连杆上并固定于弹簧挡板内。
油缸的底部一侧通过进油管与油箱相连接，进油管中设有第一单向阀，第一单向阀出口跟油缸相连，油缸的另一侧通过出油管与液压系统工作回路相连，在出油管上装有第二单向阀，第二单向阀入口跟油缸相连，第二单向阀出口管路上装有蓄能器。
油缸与其内的第二活塞构成工作空间B，该空间中充满液压油。装置工作时，低沸点工质喷入工作空间A中，迅速从集热缸中吸热、汽化、膨胀，推动第一活塞向下运动，经连杆带动油缸中的第二活塞向下运动，在第二活塞的作用下，工作空间B中的液压油从一侧以一定压力顶开第二单向阀输入液压系统中。这就完成了热能向液压能转化并回馈于液压系统的过程，在这一过程中，弹簧被压缩。
当喷入工作空间A中的工质完全膨胀以后，活塞停止运动，这时打开排气阀，在弹簧弹力的作用下，第一活塞向上运动，膨胀后的气体将被排入低沸点工质容器的上端，在连杆的带动下，油缸内的第二活塞亦向上运动，油箱中的液压油将从油缸的另一侧顶开第一单向阀充满工作空间B，直至第二活塞运行到最大位置，关闭排气阀。这就完成了一次做功循环。
本发明所述的液压系统热能回收利用方法可将液压系统运行过程中产生的热能转化为液压能，重新回馈于液压系统中，而不是直接将其散失掉，这样就降低了液压系统的能量损失，提高了液压系统的传动效率。
本发明共有3张附图，其中图1为液压系统热能回收利用装置集热过程示意图；图2为液压系统热能回收利用装置喷入工质瞬间示意图；图3为液压系统热能回收利用装置工质汽化、膨胀以及做功过程示意图；图4为液压系统热能回收利用装置排气以及吸油过程示意图；图5为液压系统热能回收利用装置整体示意图。
图中1、蒸发器 2、膨胀阀 3、压缩机 4、热泵导热盘管 5、热泵工质传输管路 6、低沸点工质容器 7、低沸点工质 8、排气管 9、导管 10、高速开关阀 11、排气阀 12、喷嘴 13、绝热壁 14、导热壁 15、第一活塞 16、连杆 17、弹簧 18、高沸点液体 19、弹簧挡板 20、第二活塞 21、油缸 22、油箱 23、第一单向阀 24、进油管 25、出油管 26、第二单向阀 27、蓄能器 28、冷却管具体实施方式
图1中，热泵工质经膨胀阀2通过蒸发器1从液压系统中吸收热量，经压缩机3压缩后，通过热泵工质传输管路5输入热泵导热盘管4中，与集热缸进行换热，换热后的热泵工质经热泵导热盘管4出口重新流入膨胀阀2。这样，液压系统运行过程中产生的热量就将被收集到集热缸中，维持液压油工作在一定温度范围内。
图2中，高速开关阀10打开，低沸点工质7沿导管9从低沸点工质容器6经喷嘴12喷入工作空间A中，在工质7喷入A中后，高速开关阀10迅速关闭，完成工质喷入过程。
图3中，高速开关阀10关闭，排气阀11关闭，喷入工作空间A中的低沸点工质7从集热缸中吸热、迅速膨胀，膨胀时推动第一活塞15向下运动，第一活塞15通过连杆16带动第二活塞20一起向下运动。当第二活塞20向下运动时，工作空间B将减小，则B中的液压油将顶开第一单向阀26后沿出油管25输入液压系统中，完成系统热能到液压能的转换与回馈。在第一活塞15向下运行过程中，布置于第一活塞15下端与绝热壁13底部之间的弹簧17被压缩。
图4中，排气阀11打开，弹簧17膨胀，推动第一活塞15向上运动，使工作空间A中的气体沿排气管8进入容器6的上部空间，在连杆16的带动下，第二活塞20亦向上运动，液压油顶开第一单向阀23从油箱22沿进油管24被吸入工作空间B中，当弹簧17膨胀完毕时，关闭排气阀11，随后将重复工质喷入过程，如图1所示，装置将循环工作。
图5为液压系统热能回收利用装置的整体示意图。从图中可见，增加了蓄能器27以及冷却管28。蓄能器27用来减小油缸21在向系统泵油时的脉动；冷却管28用以加速低沸点工质7的蒸气液化速度，使低沸点工质7喷入工作空间A中的速度与工质蒸气液化速度维持在一个相对平衡状态，同时为增大低沸点工质7在集热缸中的汽化速度，在集热缸顶部将一部分导热盘管4直接穿越导热壁14引入工作空间A中。
本发明具体实施如下。
按照附图5所示，根据液压系统实际功率大小选择相互匹配的蒸发器1、膨胀阀2、压缩机3以及热泵工质传输管路5。设计绝热壁13以及导热壁14，自上而下将热泵导热盘管4缠绕于导热壁14以及绝热壁13之间，热泵导热盘管4的入口通过热泵工质传输管路5与压缩机3出口相连，热泵导热盘管4出口经膨胀阀2与蒸发器1入口相连，蒸发器1出口通过热泵工质传输管路5与压缩机3入口相连。
选择合适低沸点工质7、排气管8、导管9、快速开关阀10、排气阀11以及喷嘴12，设计容器6以及冷却管28。喷嘴12安装于导热壁14顶部与穿越导热壁14的热泵导热盘管4之间，喷嘴12通过导管9与低沸点工质容器6底部连接，将低沸点工质7装入容器6中，容器6上部空间经冷却管28通过排气管8与工作空间A连通，排气管8与导管9上分别装有排气阀11、高速开关阀10。
选择合适连杆16以及弹簧17，设计第一活塞15、弹簧挡板19、第二活塞20以及油缸21。第一活塞15安装于导热壁14内部，第二活塞20安装于油缸21内部，通过连杆16同轴连接，油缸21顶部跟绝热壁13底部同轴连接，第一活塞15底部与绝热壁13底部之间安装弹簧17，弹簧17套装在连杆16上并固定于弹簧挡板19内。
选择合适第一单向阀23、进油管24、出油管25、第二单向阀26以及蓄能器27。油缸21的底部一侧通过进油管24与油箱22相连接，进油管24中设有第一单向阀23，第一单向阀23出口跟油缸21相连。油缸21的另一侧通过出油管25与液压系统工作回路相连(图中未显示)，在出油管25上装有第二单向阀26，第二单向阀26入口跟油缸21相连，第二单向阀26出口管路上装有蓄能器27。
蒸发器1安装于液压系统中(图中未显示)，热泵工质传输管路5中充入合适的热泵工质(图中未显示)，装置运行时，压缩机3由外部电源带动(图中未显示)，快速开关阀10以及排气阀11的开启与关闭可由单片机(图中未显示)进行控制。
权利要求
1.一种液压系统热能回收利用方法，其特征在于应用热泵技术将液压系统运行过程中产生的热能收集于一集热缸中，将低沸点工质喷入集热缸中，低沸点工质在该集热缸中迅速吸热、汽化，低沸点工质内能增大，通过一能量转换机构将低沸点工质内能转化成液压油的压力能，回馈到液压系统中。
2.一种液压系统热能回收利用装置，其特征在于包括集热缸和能量转换机构，所述集热缸由外部的桶形绝热壁(13)、内部的桶形导热壁(14)、导热壁(14)与绝热壁(13)之间的相对高沸点、导热性能好的液体(18)以及热泵导热盘管(4)构成，热泵导热盘管(4)自上而下缠绕于绝热壁(13)与导热壁(14)之间，浸没在液体(18)中，部分热泵导热盘管(4)穿越导热壁(14)上部进入集热缸内部。
3.根据权利要求2所述的液压系统热能回收利用装置，其特征在于集热缸顶部安装喷嘴(12)，喷嘴(12)位于导热壁(14)顶部与穿越导热壁(14)的热泵导热盘管(4)之间，喷嘴(12)通过导管(9)与低沸点工质容器(6)底部连接，容器(6)中装有低沸点工质(7)，容器(6)上部空间经冷却管(28)通过排气管(8)与由活塞(15)以及导热壁(14)构成的空间连通，排气管(8)与导管(9)上分别装有排气阀(11)以及快速开关阀(10)。
4.根据权利要求2所述的液压系统热能回收利用装置，其特征在于热泵导热盘管(4)的入口通过热泵工质传输管路(5)与压缩机(3)出口相连，热泵导热盘管(4)出口经膨胀阀(2)与蒸发器(1)入口相连，蒸发器(1)出口通过工质传输管路(5)与压缩机(3)入口相连，蒸发器(1)安装于液压系统中。
5.根据权利要求2所述的液压系统热能回收利用装置，其特征在于所述能量转换机构由第一活塞(15)、连杆(16)、弹簧(17)、弹簧挡板(19)、第二活塞(20)以及油缸(21)构成，第一活塞(15)安装于导热壁(14)内部，第二活塞(20)安装于油缸(21)内部，通过连杆(16)同轴连接，油缸(21)顶部跟绝热壁(13)底部同轴连接，第一活塞(15)底部与绝热壁(13)底部之间安装弹簧(17)，弹簧(17)套装在连杆(16)上并固定于弹簧挡板(19)内。
6.根据权利要求5所述的液压系统热能回收利用装置，其特征在于桶形导热壁(14)的内径大于油缸(21)的内径。
7.根据权利要求5所述的液压系统热能回收利用装置，其特征在于油缸(21)的底部一侧通过进油管(24)与油箱(22)相连接，进油管(24)中设有第一单向阀(23)，第一单向阀(23)出口跟油缸(21)相连，油缸(21)的另一侧通过出油管(25)与液压系统工作回路相连，在出油管(25)上装有第二单向阀(26)，第二单向阀(26)入口跟油缸(21)相连，第二单向阀(26)出口管路装上有蓄能器(27)。
8.根据权利要求2-7任一所述的液压系统热能回收利用装置，其特征在于；所述液体(18)为水。
全文摘要
一种用于回收并利用液压系统运行过程中产生热能的方法及装置。该方法是应用热泵技术将液压系统运行过程中产生的热能收集于一集热缸中，再将低沸点工质喷入该集热缸中，低沸点工质在该集热缸中迅速吸热、汽化，工质内能增加，通过能量转换机构将工质内能转化成液压能回馈于液压系统中。该方法将液压系统运行过程中产生的热能转化为液压能，重新回馈于液压系统中，而不是将其散失掉，降低了液压系统的能量损失，提高了液压系统的传动效率。
文档编号F15B21/14GK101070866SQ20071012295
公开日2007年11月14日 申请日期2007年7月6日 优先权日2007年7月6日
发明者纪玉龙, 孙玉清, 陈海泉 申请人:纪玉龙