气态流体的热压缩装置的制造方法
气态流体的热压缩装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本项发明涉及气态流体的热压缩装置，特别适用于蓄热式压缩机。
【背景技术】
[0002]目前已有多个技术解决方案通过热源实现对气体的压缩。
[0003]在例如文献US2157 229和US3 413 815所述的热压缩机中，吸收的热量被直接传送到待压缩的流体中，使其得以在压缩和排出阶段中避免接触到任何机械元件。
[0004]在文献US2 157 229和US3 413 815中，置换活塞可活动地被安装在壳体中，以便交替地使流体朝着热源或者冷源的方向流动。该置换活塞与控制杆连接。该置换活塞和/或其相应的控制杆相互摩擦并产生磨损，这就限制了这种压缩机的使用寿命或者需要对其进行定期维护。除此之外，还可以对压缩机内的热交换效率以及置换活塞的控制原理做进一步的优化。
[0005]因此，首要的需求便是延长压缩机的使用寿命和/或减少其所需的维护。其次，另一个持续关注的焦点便是提高压缩机内的热交换效率，进而提高其性能。除此之外，如何更好地控制置换活塞的运动也是另一个关注焦点。最后，还需要满足的一个需求就是以吸引人的成本来生产压缩机的主要部件。以上需求促使提供一种蓄热式热压缩机，这种压缩机的性能更优，同时更具有竞争力并且非常适合工业制造。
【发明内容】
[0006]鉴于以上原因，首先，提出一种气态流体压缩装置，其包括:
[0007]-用于待压缩的气态流体的入口以及用于被压缩过的气态流体的出口，
[0008]-储存气态流体的工作壳体，
[0009]-第一腔室，其热耦合至热源，所述热源适于向所述气态流体提供热量，
[0010]-第二腔室，其热耦合至冷源，以便将所述气态流体的热量传送至所述冷源，
[0011]-活塞，其安装成能在圆柱形外壳内的沿着轴向移动，并且其在所述工作壳体内将所述第一腔室与所述第二腔室隔开，所述活塞通过与所述活塞联结的杆被移动，
[0012]-蓄热式热交换器和几个使所述第一腔室和所述第二腔室处于流体联通的通道，
[0013]其中，杆被装配在与所述壳体联结的圆柱形套筒内，且所述杆通过线性导向系统被引导进行轴向平移，以便于在无需接触所述外壳的情况下引导所述活塞，
[0014]其特征在于，固定在圆柱形套筒上的圆柱形的密封环围绕所述杆，所述密封环和所述杆之间留有2至20微米的径向间隙，以便于极大地限制沿着可动的杆的、流向和来自辅助腔室(23)的气态流体的通过。
[0015]上述设计可以显著地减少摩擦，包括活塞与外壳之间的摩擦，以及杆和与其相对应的密封装置之间的摩擦，而这能够保持与压力交替周期相匹配的密封性能。由此还可以减少运动零件的磨损从而降低维护操作的频率甚至完全取消维护操作。此外，由于摩擦的减少，还能够提高热压缩的性能。
[0016]在本发明项下的不同实施例中，我们还可以采用下列一项和/或其它多项设计。
[0017]根据本发明的一方面，活塞可以配有外边缘，该外边缘设置在靠近外壳处，并且活塞的外边缘与外壳之间留有5至30微米的功能间隙，优选情况下，最好取约10微米的间隙，从而活塞的外边缘在外壳中被无摩擦地引导；由此可以实现零接触、零摩擦，同时也确保了装置在交替周期的动态模式下具有良好的密封性。
[0018]根据本发明的另一方面，线性导向系统可以是圆柱形滚珠轴承装置;这是一个有效的解决方案，通过这些滚珠的滚动，可以精确地引导可动杆的运动，并且它们产生的摩擦是微乎其微的。
[0019]根据本发明的另一方面，线性导向系统可以配置有由聚四氟乙烯(PTFE)材料制成的滑动轴承;这也是一个有效解决方案，它可以精确引导可动杆移动，并且产生极小的摩擦和磨损。
[0020]根据本发明的另一方面，，压缩装置中没有装润滑液;这样使得压缩装置更为简易，并且排除了各种因使用润滑剂而出现的问题，例如污染设备或者润滑液与工作流体混合的情况。
[0021]根据本发明的另一方面，通过冷却的气态流体的流偏转装置进行冷却；从而防止杆变热并且限制杆从较热区域移至较冷区域时产生的热量转移。
[0022]根据本发明的另一方面，杆的直径可以大于活塞直径的四分之一；由此产生足够大的压差以维持传动装置的自主驱动周期的运转;此外，导向的精确度也得到了提高。
[0023]根据本发明的另一方面，该装置还可以装配有自主驱动装置，所述自主驱动装置作用在所述杆的端部;且所述自主驱动装置包括与所述杆连接的连杆，以及与所述连杆连接的惯性飞轮。从而使得该装置在稳定状态下能够实现自主操作。
[0024]根据本发明的另一方面，自主驱动装置布置在填充有气态流体的辅助腔室中，密封环被插在于第二腔室和辅助腔室之间；从而优化了装配有自主驱动系统的装置的整体密封性。
[0025]除了导向装置和杆密封性之外，此装置的另一方面在于，通过限制热腔室和冷腔室之间的直接热传导交换，从而提高了装置性能。
[0026]事实上，可以提出一种气态流体压缩装置，其包括:
[0027]-用于待压缩的气态流体的入口以及用于被压缩过的气态流体的出口，
[0028]-储存气态流体的工作壳体，该壳体基本围绕着轴线，并通过两个组装在一起的第一壳体和第二壳体来划定其界限。
[0029]工作壳体包括:
[0030]-第一腔室，其热耦合至热源，该热源适于向所述气态流体提供热量，
[0031 ]-第二腔室，其热耦合至冷源，以便将气态流体的热量传送至该冷源，
[0032]-安装在圆柱形外壳中的可移动活塞，此活塞沿着轴的方向布置，并将第一腔室
[0033]与第二腔室隔开，通过一个与活塞连接的杆可以控制此活塞进行轴向往复运动，
[0034]-安装在活塞周围蓄热式热交换器，它将第一腔室和第二腔室联通，
[0035]-热连通通道，它将第一腔室的至少一个开口与蓄热式热交换器连接起来，此热连通通道大体上围绕着轴线，且
[0036]其中，由隔热环形圆柱体形成的第一绝热屏被安插在活塞与热连通通道之间，而第一绝热屏和第一壳体之间的径向间隙，形成了热连通通道。
[0037]从而限制了热传导的效应，特别是中间轴向部分的热传导，并且冷热部位之间的绝大多数热交换效应由工作流体的物理对流来实现。
[0038]根据一个补充方面，第一壳体为金属制品，呈隔热环形区域，其具有轴向环形且其热传导率更低;这项设计进一步限制了沿轴向方向的热传导效应。
[0039]根据一个补充方面，热传导系数低的环形部分被封闭在套箍中；从而保证了稳定的机械强度。
[0040]根据一个补充方面，热传导系数低的环形部分(形成隔热环形区域)，可整体地在第一壳体内实现，通过在绝热屏周围分布多个挖空部分(凹槽)；该内部几何形状易于掌握，是较为简单的解决方案。
[0041]根据一个补充方面，形成热连通通道的间隙宽度可以小于4毫米，甚至可以小于2毫米;这样可以限制热连通通道的容量，并因此当活塞处于最高点时，包括从第一腔室和工作流体热通道到换热器的热气体容量，小于15%的活塞最低点和最高点之间排出的容量。
[0042]根据一个补充方面，第一壳体以及绝热屏的上半部和活塞的上半部有一个半球形穹顶样式的端部，这种形状是抵抗压力的最佳形状。
[0043]根据一个补充方面，活塞的上半部的导热率较低;这有助于限制热流从较热部位流向较冷部位。
[0044]根据一个补充方面，第一壳体和第二壳体直接组装中间没有零件;这种设计既简单又坚固；
[0045]根据一个补充方面，第一壳体包括布置在圆顶形的上部和隔热套筒区域的第一加强凸缘，以及第二加强凸缘，其作为固定于第二壳体的凸缘;这样有助于增加第一外壳的机械强度。
[0046]根据所公开装置的另一方面，该装置与上文提及的导向装置、可动杆的密封性以及轴向热传导的限制作用无关，第二腔室和工作流体的冷通道形成为一个零件(在此称其为第二壳体，或“冷结构零件”或“冷却器”)，这些通道通过机械穿孔加工而形成。
[0047]事实上，提出一种气态流体压缩装置，其包括:
[0048]-用于待压缩的气态流体的入口以及用于被压缩过的气态流体的出口，
[0049]-储存气态流体的工作壳体，并通过两个组装在一起的第一壳体和第二壳体来划定其界限。
[0050]工作壳体包括:
[0051]-第一腔室，其热耦合至热源，该热源适于向所述气态流体提供热量，
[0052]-第二腔室，其热耦合至冷源，以便将气态流体的热量传送至该冷源，
[0053]-安装在圆柱形外壳上 的可移动活塞，此活塞沿着轴的方向布置，并且将第一腔室
[0054]与第二腔室隔开，通过与活塞连接的杆可以控制此活塞进行轴向往复运动，
[0055]-安装在活塞周围蓄热式热交换器，它使第一腔室和第二腔室之间处于流体联通，
[0056]-至少一个冷连通通道，该通道至少将第二腔室与蓄热式热交换器连接起来，该冷连通通道包括多个布置在第二壳体中围绕着第二腔室的轴向孔。
[0057]因此，可以通过对单个实心零件的加工来得到冷连通通道的管道，这样就减少了需要加工的零件数量，同时减少了在较冷部位的死区容量。
[0058]根据一个补充方面，引导耦合流体的第一辅助冷通道向着平行于轴的方向延伸，而第二辅助冷通道向着垂直于轴的方向延伸，并于第一辅助冷通道相连接以起到集流管的作用；由于辅助通道与工作流体的冷通道相邻近，即可轻松获得热交换器作用。
[0059]根据一个补充的变化例，所有引导耦合流体的第一辅助冷通道向着垂直于轴的方向延伸，这非常适合工业生产并且能够避免出现某些管道阻塞的现象；
[0060]根据一个补充方面，第二壳体12装有与其匹配的圆柱形空腔，该空腔用来容纳活塞下端的部位，以及安放在圆柱形空腔底部的环形槽，该环形槽与钻孔下部连接从而起到下部集流管的作用；由此可以通过冷通道集流管较低的容量来限制死区容量；
[0061]根据一个补充方面，偏转器被布置在圆柱形空腔的底部，该偏转器与第二腔室中的底部一起界定出圆盘形挖空部位，此挖空部位也是冷通道的一部分；由此可以防止杆变热并且减少杆从较热区域移至较冷区域时热量的转移。
[0062]根据一个补充方面，第二壳体可以是包含有圆柱形外壳的下端部位、冷连通通道和不同的辅助冷通道以及工作流体的入口和出口的整体零件;这种设计有效减少了较冷部位所需的零件数量。
[0063]此外，根据一个补充方面，当活塞处于最低点时，包括第二腔室和到换热器的流体冷通道的冷气体容量，小于15%的最低点和最高点之间活塞排出的容量;这有助于提高热效率。
[0064]根据所公开装置的另一方面，该装置与上文提及的导向装置、可动杆的密封系统以及对轴向热传导的限制作用和冷零件的构建结构无关，这样有助于优化对活塞移动的控制。
[0065]鉴于以上原因，提出一种气态流体压缩装置，其包括:
[0066]-用于待压缩的气态流体的入口以及用于被压缩过的气态流体的出口，
[0067]-储存气态流体的工作壳体，
[0068]-第一腔室，其热耦合至热源，该热源适于向所述气态流体提供热量，
[0069]-第二腔室，其热耦合至冷源，以便将气态流体的热量传送至该冷源，
[0070]-安装在圆柱形外壳上的可移动活塞，此活塞沿着轴的方向安装，并且将第一腔室与第二腔室隔开，通过一个与活塞连接的杆可以控制此活塞进行轴向往复运动，
[0071 ]-蓄热式热交换器，其使第一腔室和第二腔室处于流体联通，
[0072]该压缩装置包含自主驱动装置，该装置作用于杆的一端，包含与杆相连的传动杆，以及与传动杆相连的惯性飞轮;此外，该装置还有双向作用回弹装置，该装置与杆相连，且在活塞半程附近的位置上处于中性点。
[0073]通过这些步骤，该回弹装置周期性地交替存储一定的动能，其所存储的动能与惯性飞轮中所储的动能并行，从而能够减少整个传动杆-飞轮总成轴承所承受的应力，并且能够精确调整该总成的尺寸。
[0074]根据一个补充方面，该回弹装置可以包括两个互相对抗工作的弹簧；因此能够避免无效冲程以及弹性滞后，和/或补偿弹簧弹性特性的变化。
[0075]根据一个补充方面，自主驱动装置可以装配与惯性飞轮磁耦合的发动机;从而可以提供启动初始脉冲以及调节旋转速度。
[0076]根据一个补充方面，自主驱动装置被布置在辅助腔室中，此辅助腔室的平均压力为进口压力P1和出口压力P2总和的一半；因此，它与第二腔室的交换得到了平衡和限制。
[0077]最后，本发明还涉及一种热力系统，它包括热转换回路和至少一个符合前述特征的压缩机。该热力系统用来在封闭的环境中提取热量，在这种情况下，热力系统可以作为空调或制冷系统;该热力系统还可以用来为封闭的环境提供热量，在这种情况下，它就可以作为加热系统，例如住宅供暖或工业加热系统。
【附图说明】
[0078]本发明的其它方面、目的和优点将在其实施例的具体描述中体现出来，
[0079]以下实施例仅仅作为范例列举，而本项发明的实际内容并不限于此。
[0080]通过阅读下面附图，可以帮助我们可以更好地理解本项发明:
[0081]-图1为根据本发明的气态流体的热压缩装置轴向剖面示意图，
[0082]-图2为杆的导向装置的局部详细图，
[0083]-图3为装配在图1装置中的单件冷零件的透视图，
[0084]-图4为装配在图1装置中的各个热部件的透视图，
[0085]-图5为在图3中单件冷零件的横截面与剖开面的透视图，
[0086]-图6示出了密封环的细节，
[0087]-图7示出了活塞-外壳之间接触面的细节，
[0088]-图8示出了装置在运行时的热力循环图，特别是其自主驱动装置，
[0089]-图9示出了第二种实施模式的单件冷零件，
[0090]-图10示出了第二种实施模式的自主驱动装置，
[0091]-图11示出了活塞的装配，
[0092]-图12为第一壳体的局部视图，它显示出热导率较低的部分。
[0093]在不同的图中，相同的标号指示相同或相似的元件。
【具体实施方式】
[0094]■示出了气态流体的热压缩装置1，其适于允许气态流体(也称为“工作流体”)在压力P1下通过入口或进气口 46，且通过出口 47输出被压缩的压力为P2的流体。
[0095]正如图1至图12所示，该装置被设计成围绕X轴，在优选情况下其垂直布置，但是也不排除其他布置方式。活塞7被安装成能在圆柱形外壳50内至少沿着这根轴移动。上述活塞将两个封闭的空间密闭地隔开，这两个空间分别称作第一腔室21和第二腔室22，这两个腔室包含在一个气密的工作壳体2中(除了上面提到的入口/出口)。该工作壳体2有一个上端2h和一个下端2b。活塞有一个例如半球形的圆顶形状的上部。
[0096]工作壳体2的范围由第一壳体11与第二壳体12划定，第一壳体被布置在组件的上部，并至少在上部区域与热源进行热接触;第二壳体被布置在下部，并通过冷源冷却。按照英文的表达，第一壳体11可以称为“heater”(加热器)，而第二壳体12可以称为“cooler”(冷却器)。圆柱形外壳50在第二壳体和第一壳体的内部延伸，并与一个名为“绝热屏” 35的零件接触，在后文会详细解释该绝热屏。
[0097]第一壳体11由不锈钢材料或抗热性较强的合金金属制成，使其能够承受较热部位的温度。第二壳体12最好由轻合金金属制成，且其工作温度为比第一壳体要低。
[0098]在图示中，第一壳体11和第二壳体12为直接组装，没有任何中间零件。然而，它们也可以通过一个(甚至多个)中间零件组装。
[0099]第一腔室21，也称作“热腔室”，被布置在活塞的上方并与其对应的热源6热耦合，从而向气态流体提供热量。第一腔室为回转形，具有一个圆柱形部分和一个顶部半球部分，该圆柱形部分的直径对应活塞直径D1。
[0100]热源6被布置在热腔室21的周围，特别与第一壳体11接触。
[0101]第二腔室22，也称作“冷腔室”，被布置在活塞的下方并与其对应的冷源5热耦合，从而将气态流体的热量传送至冷源。第二腔室大致为圆柱形，其直径D1与活塞直径对应。
[0102]在圆柱形外壳50周围装配了一个蓄热式热交换器9，其类型为斯特林热动机类型，通常用于热力学的机器类型。此热交换器9(在下文中也被简称为“换热器”)包含有小截面的流体通道以及热能储存元件和/或密集金属线的网络。该换热器9被布置在壳体上端2h和下端2b之间的中间高度上，并具有向上的热侧9a和向下的冷侧％。
[0103]热侧9a通过热连通通道25与第一腔室21连接(通过流体连通)，该通道包含集流管28、环形通道25，该环形通道又与位于第一腔室21的顶部的开口 24相接。
[0104]通过环形通道25的上部，可以让流体轻轻触及第一壳体11，由于与热源接触，其通道上部温度也特别的高(由此形成非常好的热耦合)。
[0105]热连通通道25由通过第一壳体11和一个包含有第一绝热屏的零件之间的径向间隙形成，此间隙的厚度非常薄(小于4毫米、甚至小于2毫米、或接近1毫米)。第 一绝热屏35，由隔热的环形圆柱体构成，被插在活塞7与热连通通道25之间，因此，工作流体不会加热活塞的侧部。
[0106]第一绝热屏35由陶瓷或耐高温隔热材料制成。在示例中，该绝热屏的厚度基本不变。
[0107]圆柱形部位可以通过一个半球部位向上延伸，其厚度基本上保持不变，当活塞在其最高位置时，此半球部位的构造与活塞的外表面相符合;半球形部分的顶部设有一个开口 24用来允许流入和流出第一腔室21的流体的通过。
[0108]通过装有多个集流管27的在第二壳体内的孔状冷连通通道26，将换热器9的冷侧9b与第二腔室22连接(通过流体连通)，该孔状设计将在下文中详细描述。
[0109]如图所示，当活塞移动时，第一腔室21和第二腔室22的容量总和基本上是恒定的，所不同的是当活塞处于较高位置时，杆8所占据的体积稍大。除此之外，换热器9、冷连通通道26、27以及热连通通道28、25中所容纳的工作流体的容量也是恒定的，因此，壳体2中气态流体的总容量也几乎是恒定的。
[0110]根据所选的一个合适的建筑架构，当活塞处于最高点时，包括从第一腔室21和流体热通道25到换热器的热气体容量，小于活塞最低点和最高点之间排出的容量的15%，甚至 10%。
[0111]同样地，当活塞处于最低点时，包括第二腔室22和冷流通通道26中的残余冷气体的冷气体容量，小于活塞排出容量的15%，甚至10%。
[0112]从结构架构的角度来看，该设备包括:
[0113]-通过上文提到的外壳，第二壳体12，与活塞的底部一起界定了腔室22的范围；这部分零件相对呈整块状，并且还包含了流体的入口 46和出口 47，
[0114]-通过绝热屏35的内表面，第一壳体11与活塞顶部7h—起界定了腔室21的范围，且活塞顶部包含一个由热导率较低的部分形成的隔热套筒区域37，该区域与换热器的一部分相对(参考图12)，
[0115]-绝热屏35在其内表面形成外壳50，并在其外表面上界定热连通通道25的径向内表面。
[0116]-插在热连通通道25与第一壳体中热导率较低部分37之间辅助绝热屏36，
[0117]-装配有上述活塞7和与活塞连接的杆8的可移动装配78，上述杆8的截面呈圆形，其直径为D2，并在活塞的轴线上装有一个定心固定系统87;
[0118]-上述换热器9被布置在上部结构部件11内部以及外壳50的周围。
[0119]在杆8的下方布置有一个活塞的运动的控制系统，该系统安装于一个辅助壳体13中，这个辅助壳体界定了第三腔室23或辅助腔室23。通过孔160的螺钉，辅助壳体13被固定到一个属于第一壳体11的凸缘10上。
[0120]可选地，该装置还可以包括一个特殊的自主驱动装置4作为控制系统，下文将详细描述这个自主驱动装置。
[0121]除此之外，第二壳体12上装有一个轴向孔12a，这个轴向孔毫无间隙地容纳圆柱形套筒17，且套筒的内圆柱表面被精加工。该套筒安装在下部结构件12的孔12a中。
[0122]在这个套筒17中配备有一个线性导向系统3，该系统精确引导可动杆8从而精确控制活塞7的移动。在优选情况下，该系统与外壳没有任何接触，下文将详细说明该特征。
[0123]在示例中，线性导向系统3为一个带滚珠的圆柱形装置，在优选情况下，该装置的类型为个带滚珠31的圆柱形轴套30。这些滚珠31在套筒和轴套30上滚动，其滚动的速度为杆8移动速度的一半。
[0124]在一个未示出的实施例变更中，线性导向系统3可以包括有由PTFE(聚四氟乙烯)材料制成的滑动轴承。
[0125]至于可动杆的密封性能，在圆柱形套筒17上装有一个圆柱形密封环18，与导向系统不同的是;这个密封环18环绕可动杆，且与杆之间保留2至20微米的径向间隙e 1，由此可以极大地减少气态流体沿着可动杆8的通过(参考_)。在优选情况下，最好采用10至15微米的径向间隙el。
[0126]由于活塞刚性地连接在杆上，通过精确的可动杆导向系统，就可以精确控制活塞的移动。更具体地说，活塞7配有外边缘73、74，该外边缘设置在靠近外壳50的地方，并且活塞的外边缘与外壳之间留有5微米至30微米的功能间隙e2，优选情况下，最好取10微米的间隙，以使得活塞的外边缘在外壳中被引导做无摩擦的运动(参考M)。在优选情况下，最好利用活塞的下端部位71完整地得到外边缘，当然，我们也可以采用其他合适的方法。
[0127]通过这个精确的几何结构，当活塞来回移动时，装置在动态模式下的密封性能也是令人满意的，而活塞往复运动的频率是几赫兹到几十甚至几百赫兹之间。
[0128]此外，这样的装配可以避免任何由于摩擦或接触所造成的磨损；因此可以不使用任何润滑液，从而使设备不含润滑液。
[0129]与容积式压缩机不同的是，本热压缩机通过热交换来移动活塞，而不是杆和曲轴。因此，本热压缩机的杆和活塞上所需的径向动力极小，从而实现了一个如上文所述的，精确且无摩擦的导向装置。因此，在没有任何维护的情况下，该装置的使用期限可达数万小时。
[0130]可以选择任何适合的流体作为工作流体，特别是轻质气体;例如氨气，但出于环境因素的考虑，建议选择二氧化碳。
[0131]依据本发明的一个具体实施例，较冷部位的温度在50°C附近，而较热部位的温度则在650°C附近。
[0132]如图12所示，由径向隔板39的多个挖空部分38形成了隔热套筒37，挖空部分与径向隔板的交替围绕着周围换热器9的上端部位的第一壳体。
[0133]在绝缘套筒区域的周围，装配有一个套箍15，其目的是增强第一壳体中热导率较低区域的机械强度。通过套箍15，将径向隔板39的端部径向约束在内部，可以用轻微的预应力来安装套箍，因此，第一壳体11的中间部分的机械强度也是令人满意的。
[0134]此外，第一壳体11包括一个布置在圆顶形的上部和绝缘套筒区域的第一加强凸缘11a，以及一个第二加强凸缘11b，该第二加强凸缘在第二壳体12中起到压紧凸缘的作用。
[0135]在界面平面P上将第一壳体11组装到第二壳体12上，组装用到了多个分别通过了热零件(第一壳体11的凸缘lib)底部孔110和冷零件顶部孔112的螺钉，上述孔可以是螺纹状的。
[0136]通过活塞7的往复运动，以及入口 46的吸入阀46a，和出口 47的排放止回阀47a，来确保压缩机的运转。
[0137]下文所述的A、B、C、D几个不同步骤对应了图1和图8所示的内容。
[0138]A 步骤。
[0139]最初活塞在其顶部，然后向下移动，使得第一腔室21的容量增加，而在第二腔室22的容量减小。因此，通过换热器9，流体从底部被推挤到顶部，而在此过程中重新加热。伴随的是压力Pw的增加。
[0140]B 步骤。
[0141]一旦压力Pw超过了某个值，止回阀47a将自动打开，压力Pw降至压缩流体的出口压力P2，且止回阀向出口排出流体(当然，在此期间吸入阀46a保持关闭状态)。这个过程将一直持续直至活塞到其下死点的位置。
[0142]C 步骤。
[0143]^^骤，活塞将从下往上移动，使得第二腔室的容量增加，而在第一腔室的容量减小。因此，通过换热器9，流体从顶部被推挤到底部，并且在此过程中重新冷却。伴随的是压力Pw的降低。止回阀47a将在上升初期自动关闭。
[0144]D 步骤。
[OH5] —旦压力Pw低于某个值，吸入阀46a将自动打开，压力Pw将升至流体的入口压力P1，且入口将吸入流体(当然，在此期间止回阀47a保持关闭状态)。这个过程将一直持续直至活塞到其上死点的位置。当活塞开始下降，吸入阀46a将关闭。
[0146]可以通过装配在辅助腔室23中的任何适合的驱动装置来控制可动杆8的移动。所举示例中，驱动装置指的是用来驱动可动杆某一端部的自主驱动装置4。该自主驱动装置4装有惯性飞轮42，传动杆41，传动杆通过枢轴连接上述飞轮，例如滚子轴承43。通过另一个枢轴连接，例如滚子轴承44，传动杆41与杆连接起来。
[0147]在示例中，自主驱动装置4位于辅助腔室23中，该腔室充有压力为Pa的工作气态流体。密封环18被插在第二腔室22和辅助腔室23之间。一旦装置开始运行，辅助腔室23中的压力Pa平均值将逐渐趋向最小压力P1和最大压力P2之和的一半。一旦装置停止运行了一段时间，辅助腔室中的压力Pa将逐渐等同于第二腔室22中的现行压力。实际上，由于我们在密封环18与杆8之间保留2至20微米的功能间隙，从长远的角度看，由于一个非常小的泄漏，不能持续维持这个压力差。但在动态模式下，这个非常小的泄漏不会影响装置的运转，因此可以忽略不计。[0148]当飞轮旋转一圈时，活塞排走的容量相当于平衡点和下死点之间的距离，乘以其直径D1。
[0149]杆的直径D2大于活塞直径D1的四分之一，使得施加在活塞上的压力等于(Pw-Pa)xD20
[0150]如_所示，热力循环给自主驱动装置提供了一个正功。
[0151]如图8所示，A、B步骤中施加在活塞上的应力给惯性飞轮提供了动能，而在C、D步骤中，由惯性飞轮给活塞提供动能，需要了解的是活塞必须在任何时间克服微小残留摩擦或滚动阻力。一个完整的周期所提供的功的结存是正功，因此，上述驱动系统4可以自动保持活塞7的往复运动。
[0152]自主驱动器的功与杆的截面成正比，因此，杆的截面的选择需要保证能够产生足够的功。例如，我们可以让杆的直径D2至少等于活塞直径D1的四分之一。
[0153]还可以有一个电动机(没有显示)，在这个例子中发动机通过磁性装置，与惯性飞轮耦合。这个电动机可以提供一个初始推力用来启动周期。此电动机还可以用来调节稳态下的循环速度。电动机与惯性飞轮之间的磁耦合可以避免旋转接头出现任何问题并防止泄漏的发生。
[0154]此外，如图10所示，还有一个可选的有利方面，还添加了一个具有双向作用的弹性偏压装置45，其与上文提到的传动杆总体并行运转。例如，此弹性偏压装置可以由交替牵引和压缩的弹簧构成，其弹簧平衡长度被设置成不对周期半冲程产生任何应力。
[0155]此弹性偏压装置存储并周期性地释放动能。
[0156]另外，我们也可以装两个互相对抗工作的弹簧，以使它们的应力在周期半冲程中平衡。
[0157]有利的是，由于弹性偏压装置承担了一部分应力，所以传动杆总体承担的应力变小了。
[0158]还可以更加精确地设计轴承43、44的尺寸，从而使得驱动机构得到优化并取消维护的需要。
[0159]为了最大限度地减少传导造成的热转移，特别依照图11所示，活塞可以由两个部位组成，一个基部71，此基部具有前文所述的非常精确的几何特性(特别是边缘73)，以及一个头部72，此头部由低导热性材料或者由热绝缘提隔开的很多层构成。
[0160]此外，通过一个气态流体冷却流偏转装置14，可以将杆8冷却；该装置引导流体流动，使得被冷却的气态流体轻轻触及杆8并将其冷却。
[0161]偏转装置14呈圆盘形，圆盘有一个外径D1和一个中心孔，其中心孔的直径稍大于杆的直径D2(参考图2)，这样就确定了一个过道14a，此过道迫使冷的工作流体轻轻触及杆8并将其冷却。
[0162]这些通道由钻孔35形成，通过对下端结构零件11的机械加工形成这些钻孔，下端结构零件即第一壳体或“冷却器”。在优选的情况下，如图3和图5所示，第一壳体为一个整体零件。
[0163]通过平行于X轴方向延伸的几个钻孔16，工作气态流体的冷通道26在此形成，这些钻孔一个挨着一个，并围绕第二腔室的圆周方向布置。上述钻孔16包括在入口 46和出口 47连接的径面区域的直径较小的钻孔67和直径较大的钻孔66。
[0164]此外，第一辅助冷通道51将冷源中的偶联流体向着垂直于轴的方向延伸，它们沿着一个与孔160和凸缘10相对的正方形排列;此外，其他第二辅助冷通道52向着垂直于Y1轴的方向延伸，并将对与其连接的第一辅助冷通道51起到集流器的作用(参考图5);除此之外，其他的第二辅助冷通道53向着垂直于X轴和Y1轴的Y2轴方向延伸。
[0165]第一辅助冷通道51和第二辅助冷通道52也是由穿过整体零件的钻孔形成，该整体零件通过壳体11形成。
[0166]此外，；冷腔室包含一个下部凹槽55，其直径大于活塞直径D，凹槽可以作为冷通道26的集流器(钻孔16)，从而使得上述冷通道26与第二腔室22的底部连通，(参考图2和图3)。
[0167]此外，依照_所示的一个实施例的变化例，通过垂直于轴向的钻孔，可以获得所有第一辅助冷通道57、58。第一系列57钻孔沿着Y2轴以叠加的方式排列并且穿过安装有钻孔16的圆圈；第二系列58钻孔沿着Y1轴以叠加的方式排列，与第一系列的孔57交叉呈直角并流体连通，并且同样穿过安装有钻孔16的圆圈。这个变化例有利于整体零件的工业生产和加工。
[0168]需要注意的是，吸入阀46a、止回阀47a的类型可以是压缩机通常使用的任何类型，并且不一定要将它们设置在靠近入口 46和出口 47的地方。
[0169]需要注意的是，可以颠倒装置的安装，也就是将较冷部位装在顶部并将较热部位装在底部，但是需要理解的是，对于装置径向方向，特别对于杆和活塞的导向，以及摩擦的消除，垂直的配置消除了重力影响。
[0170]需要注意的是，为了提高压缩比，可以安装多个上述系列中的压缩装置。
[0171]需要注意的是，第一壳体和第二壳体之间的边界可以在不同的位置上。
[0172]隔热套筒37可以由一件插在第一壳体和第二壳体之间的特殊零件构成。
【主权项】
1.气态流体的热压缩装置，包括: -用于待压缩的气态流体的入口(46)以及用于被压缩过的气态流体的出口(47)， -储存所述气态流体的工作壳体(2)， -第一腔室(21)，其热耦合至热源(6)，所述热源适于向所述气态流体提供热量， -第二腔室(22)，其热耦合至冷源(5)，以便将所述气态流体的热量传送至所述冷源， -活塞(7)，其安装成能在圆柱形外壳内沿着轴向(X)移动，并且其在所述工作壳体内将所述第一腔室(21)与所述第二腔室(22)隔开，所述活塞通过与所述活塞联结的杆(8)被移动， -蓄热式热交换器(9)和使所述第一腔室和所述第二腔室处于流体联通的联通通道， 其中，所述杆被装配在与所述壳体联结的圆柱形套筒(17)内，且所述杆通过线性导向系统(3)被引导进行轴向平移，以便于在无需接触所述外壳的情况下引导所述活塞， 其特征在于，固定在圆柱形套筒上的圆柱形的密封环(18)围绕所述杆，所述密封环和所述杆之间留有2至20微米的径向间隙(el)，以便于极大地限制沿着可动的杆的流向和来自辅助腔室(23)的气态流体的通过。2.根据权利要求1所述的压缩装置，其特征在于，所述活塞具有外边缘(73)，所述外边缘设置在靠近所述外壳(50)处，所述活塞的外边缘在外壳中被无摩擦地引导，且所述外边缘与所述外壳之间留有5至30微米的功能间隙(e2)，优选地约10微米。3.根据权利要求1和2中任一项所述的压缩装置，其特征在于，所述线性导向系统(3)是圆柱形滚珠轴承装置。4.根据权利要求1和2中任一项所述的压缩装置，其特征在于，所述线性导向系统(3)配置有由聚四氟乙烯(PTFE)材料制成的滑动轴承。5.根据权利要求1至4中任一项所述的压缩装置，其特征在于，其没有装润滑液。6.根据权利要求1至5中任一项所述的压缩装置，其特征在于，所述杆通过冷却的气态流体的流偏转装置(14)进行冷却。7.根据权利要求1至6中任一项所述的压缩装置，其特征在于，所述杆的直径(D2)大于所述活塞的直径(D1)的四分之一。8.根据权利要求1至7中任一项所述的压缩装置，其特征在于，其还包括自主驱动装置(4)，所述自主驱动装置作用在所述杆的端部;且所述自主驱动装置包括与所述杆连接的连杆，以及与所述连杆连接的惯性飞轮。9.根据权利要求8所述的压缩装置，其特征在于，所述自主驱动装置(4)布置在填充有所述气态流体的辅助腔室(23)中，所述密封环(18)被插在所述第二腔室和所述辅助腔室之间。10.热力系统，其包括热转换回路和至少一个根据前述任一项权利要求所述的压缩机。
【专利摘要】本发明涉及一种压缩气态流体的装置，包括与热源(6)热耦合的第一腔室(21)，与冷源(5)热耦合的第二腔室(22)，由杆(8)驱动的可移动活塞(7)，以及在第一和第二腔室建立流体联通的蓄热式热交换器(9)，其中所述杆被不布置在圆柱形套筒(17)内并通过线性导向系统(3)被引导进行轴向平移，以便于在无需接触所述外壳的情况下引导所述活塞，其中，固定在圆柱形套筒上的密封环(18)围绕所述杆，密封环和杆之间留很小的径向间隙，以便于限制沿着可动的杆的气态流体的通过。本发明还公开了一种具有机器钻孔的集成冷罩，一种在热罩中的保温幕，以及具有弹性恢复装置的自主驱动系统。
【IPC分类】F02G1/053
【公开号】CN105492751
【申请号】CN201480042675
【发明人】金-马克·乔夫罗伊, 马丁·比达, 卢克·丹多
【申请人】布斯特赫特公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年6月16日
【公告号】CA2916005A1, EP3011161A1, US20160146152, WO2014202885A1
【技术领域】
[0001]本项发明涉及气态流体的热压缩装置，特别适用于蓄热式压缩机。
【背景技术】
[0002]目前已有多个技术解决方案通过热源实现对气体的压缩。
[0003]在例如文献US2157 229和US3 413 815所述的热压缩机中，吸收的热量被直接传送到待压缩的流体中，使其得以在压缩和排出阶段中避免接触到任何机械元件。
[0004]在文献US2 157 229和US3 413 815中，置换活塞可活动地被安装在壳体中，以便交替地使流体朝着热源或者冷源的方向流动。该置换活塞与控制杆连接。该置换活塞和/或其相应的控制杆相互摩擦并产生磨损，这就限制了这种压缩机的使用寿命或者需要对其进行定期维护。除此之外，还可以对压缩机内的热交换效率以及置换活塞的控制原理做进一步的优化。
[0005]因此，首要的需求便是延长压缩机的使用寿命和/或减少其所需的维护。其次，另一个持续关注的焦点便是提高压缩机内的热交换效率，进而提高其性能。除此之外，如何更好地控制置换活塞的运动也是另一个关注焦点。最后，还需要满足的一个需求就是以吸引人的成本来生产压缩机的主要部件。以上需求促使提供一种蓄热式热压缩机，这种压缩机的性能更优，同时更具有竞争力并且非常适合工业制造。
【发明内容】
[0006]鉴于以上原因，首先，提出一种气态流体压缩装置，其包括:
[0007]-用于待压缩的气态流体的入口以及用于被压缩过的气态流体的出口，
[0008]-储存气态流体的工作壳体，
[0009]-第一腔室，其热耦合至热源，所述热源适于向所述气态流体提供热量，
[0010]-第二腔室，其热耦合至冷源，以便将所述气态流体的热量传送至所述冷源，
[0011]-活塞，其安装成能在圆柱形外壳内的沿着轴向移动，并且其在所述工作壳体内将所述第一腔室与所述第二腔室隔开，所述活塞通过与所述活塞联结的杆被移动，
[0012]-蓄热式热交换器和几个使所述第一腔室和所述第二腔室处于流体联通的通道，
[0013]其中，杆被装配在与所述壳体联结的圆柱形套筒内，且所述杆通过线性导向系统被引导进行轴向平移，以便于在无需接触所述外壳的情况下引导所述活塞，
[0014]其特征在于，固定在圆柱形套筒上的圆柱形的密封环围绕所述杆，所述密封环和所述杆之间留有2至20微米的径向间隙，以便于极大地限制沿着可动的杆的、流向和来自辅助腔室(23)的气态流体的通过。
[0015]上述设计可以显著地减少摩擦，包括活塞与外壳之间的摩擦，以及杆和与其相对应的密封装置之间的摩擦，而这能够保持与压力交替周期相匹配的密封性能。由此还可以减少运动零件的磨损从而降低维护操作的频率甚至完全取消维护操作。此外，由于摩擦的减少，还能够提高热压缩的性能。
[0016]在本发明项下的不同实施例中，我们还可以采用下列一项和/或其它多项设计。
[0017]根据本发明的一方面，活塞可以配有外边缘，该外边缘设置在靠近外壳处，并且活塞的外边缘与外壳之间留有5至30微米的功能间隙，优选情况下，最好取约10微米的间隙，从而活塞的外边缘在外壳中被无摩擦地引导；由此可以实现零接触、零摩擦，同时也确保了装置在交替周期的动态模式下具有良好的密封性。
[0018]根据本发明的另一方面，线性导向系统可以是圆柱形滚珠轴承装置;这是一个有效的解决方案，通过这些滚珠的滚动，可以精确地引导可动杆的运动，并且它们产生的摩擦是微乎其微的。
[0019]根据本发明的另一方面，线性导向系统可以配置有由聚四氟乙烯(PTFE)材料制成的滑动轴承;这也是一个有效解决方案，它可以精确引导可动杆移动，并且产生极小的摩擦和磨损。
[0020]根据本发明的另一方面，，压缩装置中没有装润滑液;这样使得压缩装置更为简易，并且排除了各种因使用润滑剂而出现的问题，例如污染设备或者润滑液与工作流体混合的情况。
[0021]根据本发明的另一方面，通过冷却的气态流体的流偏转装置进行冷却；从而防止杆变热并且限制杆从较热区域移至较冷区域时产生的热量转移。
[0022]根据本发明的另一方面，杆的直径可以大于活塞直径的四分之一；由此产生足够大的压差以维持传动装置的自主驱动周期的运转;此外，导向的精确度也得到了提高。
[0023]根据本发明的另一方面，该装置还可以装配有自主驱动装置，所述自主驱动装置作用在所述杆的端部;且所述自主驱动装置包括与所述杆连接的连杆，以及与所述连杆连接的惯性飞轮。从而使得该装置在稳定状态下能够实现自主操作。
[0024]根据本发明的另一方面，自主驱动装置布置在填充有气态流体的辅助腔室中，密封环被插在于第二腔室和辅助腔室之间；从而优化了装配有自主驱动系统的装置的整体密封性。
[0025]除了导向装置和杆密封性之外，此装置的另一方面在于，通过限制热腔室和冷腔室之间的直接热传导交换，从而提高了装置性能。
[0026]事实上，可以提出一种气态流体压缩装置，其包括:
[0027]-用于待压缩的气态流体的入口以及用于被压缩过的气态流体的出口，
[0028]-储存气态流体的工作壳体，该壳体基本围绕着轴线，并通过两个组装在一起的第一壳体和第二壳体来划定其界限。
[0029]工作壳体包括:
[0030]-第一腔室，其热耦合至热源，该热源适于向所述气态流体提供热量，
[0031 ]-第二腔室，其热耦合至冷源，以便将气态流体的热量传送至该冷源，
[0032]-安装在圆柱形外壳中的可移动活塞，此活塞沿着轴的方向布置，并将第一腔室
[0033]与第二腔室隔开，通过一个与活塞连接的杆可以控制此活塞进行轴向往复运动，
[0034]-安装在活塞周围蓄热式热交换器，它将第一腔室和第二腔室联通，
[0035]-热连通通道，它将第一腔室的至少一个开口与蓄热式热交换器连接起来，此热连通通道大体上围绕着轴线，且
[0036]其中，由隔热环形圆柱体形成的第一绝热屏被安插在活塞与热连通通道之间，而第一绝热屏和第一壳体之间的径向间隙，形成了热连通通道。
[0037]从而限制了热传导的效应，特别是中间轴向部分的热传导，并且冷热部位之间的绝大多数热交换效应由工作流体的物理对流来实现。
[0038]根据一个补充方面，第一壳体为金属制品，呈隔热环形区域，其具有轴向环形且其热传导率更低;这项设计进一步限制了沿轴向方向的热传导效应。
[0039]根据一个补充方面，热传导系数低的环形部分被封闭在套箍中；从而保证了稳定的机械强度。
[0040]根据一个补充方面，热传导系数低的环形部分(形成隔热环形区域)，可整体地在第一壳体内实现，通过在绝热屏周围分布多个挖空部分(凹槽)；该内部几何形状易于掌握，是较为简单的解决方案。
[0041]根据一个补充方面，形成热连通通道的间隙宽度可以小于4毫米，甚至可以小于2毫米;这样可以限制热连通通道的容量，并因此当活塞处于最高点时，包括从第一腔室和工作流体热通道到换热器的热气体容量，小于15%的活塞最低点和最高点之间排出的容量。
[0042]根据一个补充方面，第一壳体以及绝热屏的上半部和活塞的上半部有一个半球形穹顶样式的端部，这种形状是抵抗压力的最佳形状。
[0043]根据一个补充方面，活塞的上半部的导热率较低;这有助于限制热流从较热部位流向较冷部位。
[0044]根据一个补充方面，第一壳体和第二壳体直接组装中间没有零件;这种设计既简单又坚固；
[0045]根据一个补充方面，第一壳体包括布置在圆顶形的上部和隔热套筒区域的第一加强凸缘，以及第二加强凸缘，其作为固定于第二壳体的凸缘;这样有助于增加第一外壳的机械强度。
[0046]根据所公开装置的另一方面，该装置与上文提及的导向装置、可动杆的密封性以及轴向热传导的限制作用无关，第二腔室和工作流体的冷通道形成为一个零件(在此称其为第二壳体，或“冷结构零件”或“冷却器”)，这些通道通过机械穿孔加工而形成。
[0047]事实上，提出一种气态流体压缩装置，其包括:
[0048]-用于待压缩的气态流体的入口以及用于被压缩过的气态流体的出口，
[0049]-储存气态流体的工作壳体，并通过两个组装在一起的第一壳体和第二壳体来划定其界限。
[0050]工作壳体包括:
[0051]-第一腔室，其热耦合至热源，该热源适于向所述气态流体提供热量，
[0052]-第二腔室，其热耦合至冷源，以便将气态流体的热量传送至该冷源，
[0053]-安装在圆柱形外壳上 的可移动活塞，此活塞沿着轴的方向布置，并且将第一腔室
[0054]与第二腔室隔开，通过与活塞连接的杆可以控制此活塞进行轴向往复运动，
[0055]-安装在活塞周围蓄热式热交换器，它使第一腔室和第二腔室之间处于流体联通，
[0056]-至少一个冷连通通道，该通道至少将第二腔室与蓄热式热交换器连接起来，该冷连通通道包括多个布置在第二壳体中围绕着第二腔室的轴向孔。
[0057]因此，可以通过对单个实心零件的加工来得到冷连通通道的管道，这样就减少了需要加工的零件数量，同时减少了在较冷部位的死区容量。
[0058]根据一个补充方面，引导耦合流体的第一辅助冷通道向着平行于轴的方向延伸，而第二辅助冷通道向着垂直于轴的方向延伸，并于第一辅助冷通道相连接以起到集流管的作用；由于辅助通道与工作流体的冷通道相邻近，即可轻松获得热交换器作用。
[0059]根据一个补充的变化例，所有引导耦合流体的第一辅助冷通道向着垂直于轴的方向延伸，这非常适合工业生产并且能够避免出现某些管道阻塞的现象；
[0060]根据一个补充方面，第二壳体12装有与其匹配的圆柱形空腔，该空腔用来容纳活塞下端的部位，以及安放在圆柱形空腔底部的环形槽，该环形槽与钻孔下部连接从而起到下部集流管的作用；由此可以通过冷通道集流管较低的容量来限制死区容量；
[0061]根据一个补充方面，偏转器被布置在圆柱形空腔的底部，该偏转器与第二腔室中的底部一起界定出圆盘形挖空部位，此挖空部位也是冷通道的一部分；由此可以防止杆变热并且减少杆从较热区域移至较冷区域时热量的转移。
[0062]根据一个补充方面，第二壳体可以是包含有圆柱形外壳的下端部位、冷连通通道和不同的辅助冷通道以及工作流体的入口和出口的整体零件;这种设计有效减少了较冷部位所需的零件数量。
[0063]此外，根据一个补充方面，当活塞处于最低点时，包括第二腔室和到换热器的流体冷通道的冷气体容量，小于15%的最低点和最高点之间活塞排出的容量;这有助于提高热效率。
[0064]根据所公开装置的另一方面，该装置与上文提及的导向装置、可动杆的密封系统以及对轴向热传导的限制作用和冷零件的构建结构无关，这样有助于优化对活塞移动的控制。
[0065]鉴于以上原因，提出一种气态流体压缩装置，其包括:
[0066]-用于待压缩的气态流体的入口以及用于被压缩过的气态流体的出口，
[0067]-储存气态流体的工作壳体，
[0068]-第一腔室，其热耦合至热源，该热源适于向所述气态流体提供热量，
[0069]-第二腔室，其热耦合至冷源，以便将气态流体的热量传送至该冷源，
[0070]-安装在圆柱形外壳上的可移动活塞，此活塞沿着轴的方向安装，并且将第一腔室与第二腔室隔开，通过一个与活塞连接的杆可以控制此活塞进行轴向往复运动，
[0071 ]-蓄热式热交换器，其使第一腔室和第二腔室处于流体联通，
[0072]该压缩装置包含自主驱动装置，该装置作用于杆的一端，包含与杆相连的传动杆，以及与传动杆相连的惯性飞轮;此外，该装置还有双向作用回弹装置，该装置与杆相连，且在活塞半程附近的位置上处于中性点。
[0073]通过这些步骤，该回弹装置周期性地交替存储一定的动能，其所存储的动能与惯性飞轮中所储的动能并行，从而能够减少整个传动杆-飞轮总成轴承所承受的应力，并且能够精确调整该总成的尺寸。
[0074]根据一个补充方面，该回弹装置可以包括两个互相对抗工作的弹簧；因此能够避免无效冲程以及弹性滞后，和/或补偿弹簧弹性特性的变化。
[0075]根据一个补充方面，自主驱动装置可以装配与惯性飞轮磁耦合的发动机;从而可以提供启动初始脉冲以及调节旋转速度。
[0076]根据一个补充方面，自主驱动装置被布置在辅助腔室中，此辅助腔室的平均压力为进口压力P1和出口压力P2总和的一半；因此，它与第二腔室的交换得到了平衡和限制。
[0077]最后，本发明还涉及一种热力系统，它包括热转换回路和至少一个符合前述特征的压缩机。该热力系统用来在封闭的环境中提取热量，在这种情况下，热力系统可以作为空调或制冷系统;该热力系统还可以用来为封闭的环境提供热量，在这种情况下，它就可以作为加热系统，例如住宅供暖或工业加热系统。
【附图说明】
[0078]本发明的其它方面、目的和优点将在其实施例的具体描述中体现出来，
[0079]以下实施例仅仅作为范例列举，而本项发明的实际内容并不限于此。
[0080]通过阅读下面附图，可以帮助我们可以更好地理解本项发明:
[0081]-图1为根据本发明的气态流体的热压缩装置轴向剖面示意图，
[0082]-图2为杆的导向装置的局部详细图，
[0083]-图3为装配在图1装置中的单件冷零件的透视图，
[0084]-图4为装配在图1装置中的各个热部件的透视图，
[0085]-图5为在图3中单件冷零件的横截面与剖开面的透视图，
[0086]-图6示出了密封环的细节，
[0087]-图7示出了活塞-外壳之间接触面的细节，
[0088]-图8示出了装置在运行时的热力循环图，特别是其自主驱动装置，
[0089]-图9示出了第二种实施模式的单件冷零件，
[0090]-图10示出了第二种实施模式的自主驱动装置，
[0091]-图11示出了活塞的装配，
[0092]-图12为第一壳体的局部视图，它显示出热导率较低的部分。
[0093]在不同的图中，相同的标号指示相同或相似的元件。
【具体实施方式】
[0094]■示出了气态流体的热压缩装置1，其适于允许气态流体(也称为“工作流体”)在压力P1下通过入口或进气口 46，且通过出口 47输出被压缩的压力为P2的流体。
[0095]正如图1至图12所示，该装置被设计成围绕X轴，在优选情况下其垂直布置，但是也不排除其他布置方式。活塞7被安装成能在圆柱形外壳50内至少沿着这根轴移动。上述活塞将两个封闭的空间密闭地隔开，这两个空间分别称作第一腔室21和第二腔室22，这两个腔室包含在一个气密的工作壳体2中(除了上面提到的入口/出口)。该工作壳体2有一个上端2h和一个下端2b。活塞有一个例如半球形的圆顶形状的上部。
[0096]工作壳体2的范围由第一壳体11与第二壳体12划定，第一壳体被布置在组件的上部，并至少在上部区域与热源进行热接触;第二壳体被布置在下部，并通过冷源冷却。按照英文的表达，第一壳体11可以称为“heater”(加热器)，而第二壳体12可以称为“cooler”(冷却器)。圆柱形外壳50在第二壳体和第一壳体的内部延伸，并与一个名为“绝热屏” 35的零件接触，在后文会详细解释该绝热屏。
[0097]第一壳体11由不锈钢材料或抗热性较强的合金金属制成，使其能够承受较热部位的温度。第二壳体12最好由轻合金金属制成，且其工作温度为比第一壳体要低。
[0098]在图示中，第一壳体11和第二壳体12为直接组装，没有任何中间零件。然而，它们也可以通过一个(甚至多个)中间零件组装。
[0099]第一腔室21，也称作“热腔室”，被布置在活塞的上方并与其对应的热源6热耦合，从而向气态流体提供热量。第一腔室为回转形，具有一个圆柱形部分和一个顶部半球部分，该圆柱形部分的直径对应活塞直径D1。
[0100]热源6被布置在热腔室21的周围，特别与第一壳体11接触。
[0101]第二腔室22，也称作“冷腔室”，被布置在活塞的下方并与其对应的冷源5热耦合，从而将气态流体的热量传送至冷源。第二腔室大致为圆柱形，其直径D1与活塞直径对应。
[0102]在圆柱形外壳50周围装配了一个蓄热式热交换器9，其类型为斯特林热动机类型，通常用于热力学的机器类型。此热交换器9(在下文中也被简称为“换热器”)包含有小截面的流体通道以及热能储存元件和/或密集金属线的网络。该换热器9被布置在壳体上端2h和下端2b之间的中间高度上，并具有向上的热侧9a和向下的冷侧％。
[0103]热侧9a通过热连通通道25与第一腔室21连接(通过流体连通)，该通道包含集流管28、环形通道25，该环形通道又与位于第一腔室21的顶部的开口 24相接。
[0104]通过环形通道25的上部，可以让流体轻轻触及第一壳体11，由于与热源接触，其通道上部温度也特别的高(由此形成非常好的热耦合)。
[0105]热连通通道25由通过第一壳体11和一个包含有第一绝热屏的零件之间的径向间隙形成，此间隙的厚度非常薄(小于4毫米、甚至小于2毫米、或接近1毫米)。第 一绝热屏35，由隔热的环形圆柱体构成，被插在活塞7与热连通通道25之间，因此，工作流体不会加热活塞的侧部。
[0106]第一绝热屏35由陶瓷或耐高温隔热材料制成。在示例中，该绝热屏的厚度基本不变。
[0107]圆柱形部位可以通过一个半球部位向上延伸，其厚度基本上保持不变，当活塞在其最高位置时，此半球部位的构造与活塞的外表面相符合;半球形部分的顶部设有一个开口 24用来允许流入和流出第一腔室21的流体的通过。
[0108]通过装有多个集流管27的在第二壳体内的孔状冷连通通道26，将换热器9的冷侧9b与第二腔室22连接(通过流体连通)，该孔状设计将在下文中详细描述。
[0109]如图所示，当活塞移动时，第一腔室21和第二腔室22的容量总和基本上是恒定的，所不同的是当活塞处于较高位置时，杆8所占据的体积稍大。除此之外，换热器9、冷连通通道26、27以及热连通通道28、25中所容纳的工作流体的容量也是恒定的，因此，壳体2中气态流体的总容量也几乎是恒定的。
[0110]根据所选的一个合适的建筑架构，当活塞处于最高点时，包括从第一腔室21和流体热通道25到换热器的热气体容量，小于活塞最低点和最高点之间排出的容量的15%，甚至 10%。
[0111]同样地，当活塞处于最低点时，包括第二腔室22和冷流通通道26中的残余冷气体的冷气体容量，小于活塞排出容量的15%，甚至10%。
[0112]从结构架构的角度来看，该设备包括:
[0113]-通过上文提到的外壳，第二壳体12，与活塞的底部一起界定了腔室22的范围；这部分零件相对呈整块状，并且还包含了流体的入口 46和出口 47，
[0114]-通过绝热屏35的内表面，第一壳体11与活塞顶部7h—起界定了腔室21的范围，且活塞顶部包含一个由热导率较低的部分形成的隔热套筒区域37，该区域与换热器的一部分相对(参考图12)，
[0115]-绝热屏35在其内表面形成外壳50，并在其外表面上界定热连通通道25的径向内表面。
[0116]-插在热连通通道25与第一壳体中热导率较低部分37之间辅助绝热屏36，
[0117]-装配有上述活塞7和与活塞连接的杆8的可移动装配78，上述杆8的截面呈圆形，其直径为D2，并在活塞的轴线上装有一个定心固定系统87;
[0118]-上述换热器9被布置在上部结构部件11内部以及外壳50的周围。
[0119]在杆8的下方布置有一个活塞的运动的控制系统，该系统安装于一个辅助壳体13中，这个辅助壳体界定了第三腔室23或辅助腔室23。通过孔160的螺钉，辅助壳体13被固定到一个属于第一壳体11的凸缘10上。
[0120]可选地，该装置还可以包括一个特殊的自主驱动装置4作为控制系统，下文将详细描述这个自主驱动装置。
[0121]除此之外，第二壳体12上装有一个轴向孔12a，这个轴向孔毫无间隙地容纳圆柱形套筒17，且套筒的内圆柱表面被精加工。该套筒安装在下部结构件12的孔12a中。
[0122]在这个套筒17中配备有一个线性导向系统3，该系统精确引导可动杆8从而精确控制活塞7的移动。在优选情况下，该系统与外壳没有任何接触，下文将详细说明该特征。
[0123]在示例中，线性导向系统3为一个带滚珠的圆柱形装置，在优选情况下，该装置的类型为个带滚珠31的圆柱形轴套30。这些滚珠31在套筒和轴套30上滚动，其滚动的速度为杆8移动速度的一半。
[0124]在一个未示出的实施例变更中，线性导向系统3可以包括有由PTFE(聚四氟乙烯)材料制成的滑动轴承。
[0125]至于可动杆的密封性能，在圆柱形套筒17上装有一个圆柱形密封环18，与导向系统不同的是;这个密封环18环绕可动杆，且与杆之间保留2至20微米的径向间隙e 1，由此可以极大地减少气态流体沿着可动杆8的通过(参考_)。在优选情况下，最好采用10至15微米的径向间隙el。
[0126]由于活塞刚性地连接在杆上，通过精确的可动杆导向系统，就可以精确控制活塞的移动。更具体地说，活塞7配有外边缘73、74，该外边缘设置在靠近外壳50的地方，并且活塞的外边缘与外壳之间留有5微米至30微米的功能间隙e2，优选情况下，最好取10微米的间隙，以使得活塞的外边缘在外壳中被引导做无摩擦的运动(参考M)。在优选情况下，最好利用活塞的下端部位71完整地得到外边缘，当然，我们也可以采用其他合适的方法。
[0127]通过这个精确的几何结构，当活塞来回移动时，装置在动态模式下的密封性能也是令人满意的，而活塞往复运动的频率是几赫兹到几十甚至几百赫兹之间。
[0128]此外，这样的装配可以避免任何由于摩擦或接触所造成的磨损；因此可以不使用任何润滑液，从而使设备不含润滑液。
[0129]与容积式压缩机不同的是，本热压缩机通过热交换来移动活塞，而不是杆和曲轴。因此，本热压缩机的杆和活塞上所需的径向动力极小，从而实现了一个如上文所述的，精确且无摩擦的导向装置。因此，在没有任何维护的情况下，该装置的使用期限可达数万小时。
[0130]可以选择任何适合的流体作为工作流体，特别是轻质气体;例如氨气，但出于环境因素的考虑，建议选择二氧化碳。
[0131]依据本发明的一个具体实施例，较冷部位的温度在50°C附近，而较热部位的温度则在650°C附近。
[0132]如图12所示，由径向隔板39的多个挖空部分38形成了隔热套筒37，挖空部分与径向隔板的交替围绕着周围换热器9的上端部位的第一壳体。
[0133]在绝缘套筒区域的周围，装配有一个套箍15，其目的是增强第一壳体中热导率较低区域的机械强度。通过套箍15，将径向隔板39的端部径向约束在内部，可以用轻微的预应力来安装套箍，因此，第一壳体11的中间部分的机械强度也是令人满意的。
[0134]此外，第一壳体11包括一个布置在圆顶形的上部和绝缘套筒区域的第一加强凸缘11a，以及一个第二加强凸缘11b，该第二加强凸缘在第二壳体12中起到压紧凸缘的作用。
[0135]在界面平面P上将第一壳体11组装到第二壳体12上，组装用到了多个分别通过了热零件(第一壳体11的凸缘lib)底部孔110和冷零件顶部孔112的螺钉，上述孔可以是螺纹状的。
[0136]通过活塞7的往复运动，以及入口 46的吸入阀46a，和出口 47的排放止回阀47a，来确保压缩机的运转。
[0137]下文所述的A、B、C、D几个不同步骤对应了图1和图8所示的内容。
[0138]A 步骤。
[0139]最初活塞在其顶部，然后向下移动，使得第一腔室21的容量增加，而在第二腔室22的容量减小。因此，通过换热器9，流体从底部被推挤到顶部，而在此过程中重新加热。伴随的是压力Pw的增加。
[0140]B 步骤。
[0141]一旦压力Pw超过了某个值，止回阀47a将自动打开，压力Pw降至压缩流体的出口压力P2，且止回阀向出口排出流体(当然，在此期间吸入阀46a保持关闭状态)。这个过程将一直持续直至活塞到其下死点的位置。
[0142]C 步骤。
[0143]^^骤，活塞将从下往上移动，使得第二腔室的容量增加，而在第一腔室的容量减小。因此，通过换热器9，流体从顶部被推挤到底部，并且在此过程中重新冷却。伴随的是压力Pw的降低。止回阀47a将在上升初期自动关闭。
[0144]D 步骤。
[OH5] —旦压力Pw低于某个值，吸入阀46a将自动打开，压力Pw将升至流体的入口压力P1，且入口将吸入流体(当然，在此期间止回阀47a保持关闭状态)。这个过程将一直持续直至活塞到其上死点的位置。当活塞开始下降，吸入阀46a将关闭。
[0146]可以通过装配在辅助腔室23中的任何适合的驱动装置来控制可动杆8的移动。所举示例中，驱动装置指的是用来驱动可动杆某一端部的自主驱动装置4。该自主驱动装置4装有惯性飞轮42，传动杆41，传动杆通过枢轴连接上述飞轮，例如滚子轴承43。通过另一个枢轴连接，例如滚子轴承44，传动杆41与杆连接起来。
[0147]在示例中，自主驱动装置4位于辅助腔室23中，该腔室充有压力为Pa的工作气态流体。密封环18被插在第二腔室22和辅助腔室23之间。一旦装置开始运行，辅助腔室23中的压力Pa平均值将逐渐趋向最小压力P1和最大压力P2之和的一半。一旦装置停止运行了一段时间，辅助腔室中的压力Pa将逐渐等同于第二腔室22中的现行压力。实际上，由于我们在密封环18与杆8之间保留2至20微米的功能间隙，从长远的角度看，由于一个非常小的泄漏，不能持续维持这个压力差。但在动态模式下，这个非常小的泄漏不会影响装置的运转，因此可以忽略不计。[0148]当飞轮旋转一圈时，活塞排走的容量相当于平衡点和下死点之间的距离，乘以其直径D1。
[0149]杆的直径D2大于活塞直径D1的四分之一，使得施加在活塞上的压力等于(Pw-Pa)xD20
[0150]如_所示，热力循环给自主驱动装置提供了一个正功。
[0151]如图8所示，A、B步骤中施加在活塞上的应力给惯性飞轮提供了动能，而在C、D步骤中，由惯性飞轮给活塞提供动能，需要了解的是活塞必须在任何时间克服微小残留摩擦或滚动阻力。一个完整的周期所提供的功的结存是正功，因此，上述驱动系统4可以自动保持活塞7的往复运动。
[0152]自主驱动器的功与杆的截面成正比，因此，杆的截面的选择需要保证能够产生足够的功。例如，我们可以让杆的直径D2至少等于活塞直径D1的四分之一。
[0153]还可以有一个电动机(没有显示)，在这个例子中发动机通过磁性装置，与惯性飞轮耦合。这个电动机可以提供一个初始推力用来启动周期。此电动机还可以用来调节稳态下的循环速度。电动机与惯性飞轮之间的磁耦合可以避免旋转接头出现任何问题并防止泄漏的发生。
[0154]此外，如图10所示，还有一个可选的有利方面，还添加了一个具有双向作用的弹性偏压装置45，其与上文提到的传动杆总体并行运转。例如，此弹性偏压装置可以由交替牵引和压缩的弹簧构成，其弹簧平衡长度被设置成不对周期半冲程产生任何应力。
[0155]此弹性偏压装置存储并周期性地释放动能。
[0156]另外，我们也可以装两个互相对抗工作的弹簧，以使它们的应力在周期半冲程中平衡。
[0157]有利的是，由于弹性偏压装置承担了一部分应力，所以传动杆总体承担的应力变小了。
[0158]还可以更加精确地设计轴承43、44的尺寸，从而使得驱动机构得到优化并取消维护的需要。
[0159]为了最大限度地减少传导造成的热转移，特别依照图11所示，活塞可以由两个部位组成，一个基部71，此基部具有前文所述的非常精确的几何特性(特别是边缘73)，以及一个头部72，此头部由低导热性材料或者由热绝缘提隔开的很多层构成。
[0160]此外，通过一个气态流体冷却流偏转装置14，可以将杆8冷却；该装置引导流体流动，使得被冷却的气态流体轻轻触及杆8并将其冷却。
[0161]偏转装置14呈圆盘形，圆盘有一个外径D1和一个中心孔，其中心孔的直径稍大于杆的直径D2(参考图2)，这样就确定了一个过道14a，此过道迫使冷的工作流体轻轻触及杆8并将其冷却。
[0162]这些通道由钻孔35形成，通过对下端结构零件11的机械加工形成这些钻孔，下端结构零件即第一壳体或“冷却器”。在优选的情况下，如图3和图5所示，第一壳体为一个整体零件。
[0163]通过平行于X轴方向延伸的几个钻孔16，工作气态流体的冷通道26在此形成，这些钻孔一个挨着一个，并围绕第二腔室的圆周方向布置。上述钻孔16包括在入口 46和出口 47连接的径面区域的直径较小的钻孔67和直径较大的钻孔66。
[0164]此外，第一辅助冷通道51将冷源中的偶联流体向着垂直于轴的方向延伸，它们沿着一个与孔160和凸缘10相对的正方形排列;此外，其他第二辅助冷通道52向着垂直于Y1轴的方向延伸，并将对与其连接的第一辅助冷通道51起到集流器的作用(参考图5);除此之外，其他的第二辅助冷通道53向着垂直于X轴和Y1轴的Y2轴方向延伸。
[0165]第一辅助冷通道51和第二辅助冷通道52也是由穿过整体零件的钻孔形成，该整体零件通过壳体11形成。
[0166]此外，；冷腔室包含一个下部凹槽55，其直径大于活塞直径D，凹槽可以作为冷通道26的集流器(钻孔16)，从而使得上述冷通道26与第二腔室22的底部连通，(参考图2和图3)。
[0167]此外，依照_所示的一个实施例的变化例，通过垂直于轴向的钻孔，可以获得所有第一辅助冷通道57、58。第一系列57钻孔沿着Y2轴以叠加的方式排列并且穿过安装有钻孔16的圆圈；第二系列58钻孔沿着Y1轴以叠加的方式排列，与第一系列的孔57交叉呈直角并流体连通，并且同样穿过安装有钻孔16的圆圈。这个变化例有利于整体零件的工业生产和加工。
[0168]需要注意的是，吸入阀46a、止回阀47a的类型可以是压缩机通常使用的任何类型，并且不一定要将它们设置在靠近入口 46和出口 47的地方。
[0169]需要注意的是，可以颠倒装置的安装，也就是将较冷部位装在顶部并将较热部位装在底部，但是需要理解的是，对于装置径向方向，特别对于杆和活塞的导向，以及摩擦的消除，垂直的配置消除了重力影响。
[0170]需要注意的是，为了提高压缩比，可以安装多个上述系列中的压缩装置。
[0171]需要注意的是，第一壳体和第二壳体之间的边界可以在不同的位置上。
[0172]隔热套筒37可以由一件插在第一壳体和第二壳体之间的特殊零件构成。
【主权项】
1.气态流体的热压缩装置，包括: -用于待压缩的气态流体的入口(46)以及用于被压缩过的气态流体的出口(47)， -储存所述气态流体的工作壳体(2)， -第一腔室(21)，其热耦合至热源(6)，所述热源适于向所述气态流体提供热量， -第二腔室(22)，其热耦合至冷源(5)，以便将所述气态流体的热量传送至所述冷源， -活塞(7)，其安装成能在圆柱形外壳内沿着轴向(X)移动，并且其在所述工作壳体内将所述第一腔室(21)与所述第二腔室(22)隔开，所述活塞通过与所述活塞联结的杆(8)被移动， -蓄热式热交换器(9)和使所述第一腔室和所述第二腔室处于流体联通的联通通道， 其中，所述杆被装配在与所述壳体联结的圆柱形套筒(17)内，且所述杆通过线性导向系统(3)被引导进行轴向平移，以便于在无需接触所述外壳的情况下引导所述活塞， 其特征在于，固定在圆柱形套筒上的圆柱形的密封环(18)围绕所述杆，所述密封环和所述杆之间留有2至20微米的径向间隙(el)，以便于极大地限制沿着可动的杆的流向和来自辅助腔室(23)的气态流体的通过。2.根据权利要求1所述的压缩装置，其特征在于，所述活塞具有外边缘(73)，所述外边缘设置在靠近所述外壳(50)处，所述活塞的外边缘在外壳中被无摩擦地引导，且所述外边缘与所述外壳之间留有5至30微米的功能间隙(e2)，优选地约10微米。3.根据权利要求1和2中任一项所述的压缩装置，其特征在于，所述线性导向系统(3)是圆柱形滚珠轴承装置。4.根据权利要求1和2中任一项所述的压缩装置，其特征在于，所述线性导向系统(3)配置有由聚四氟乙烯(PTFE)材料制成的滑动轴承。5.根据权利要求1至4中任一项所述的压缩装置，其特征在于，其没有装润滑液。6.根据权利要求1至5中任一项所述的压缩装置，其特征在于，所述杆通过冷却的气态流体的流偏转装置(14)进行冷却。7.根据权利要求1至6中任一项所述的压缩装置，其特征在于，所述杆的直径(D2)大于所述活塞的直径(D1)的四分之一。8.根据权利要求1至7中任一项所述的压缩装置，其特征在于，其还包括自主驱动装置(4)，所述自主驱动装置作用在所述杆的端部;且所述自主驱动装置包括与所述杆连接的连杆，以及与所述连杆连接的惯性飞轮。9.根据权利要求8所述的压缩装置，其特征在于，所述自主驱动装置(4)布置在填充有所述气态流体的辅助腔室(23)中，所述密封环(18)被插在所述第二腔室和所述辅助腔室之间。10.热力系统，其包括热转换回路和至少一个根据前述任一项权利要求所述的压缩机。
【专利摘要】本发明涉及一种压缩气态流体的装置，包括与热源(6)热耦合的第一腔室(21)，与冷源(5)热耦合的第二腔室(22)，由杆(8)驱动的可移动活塞(7)，以及在第一和第二腔室建立流体联通的蓄热式热交换器(9)，其中所述杆被不布置在圆柱形套筒(17)内并通过线性导向系统(3)被引导进行轴向平移，以便于在无需接触所述外壳的情况下引导所述活塞，其中，固定在圆柱形套筒上的密封环(18)围绕所述杆，密封环和杆之间留很小的径向间隙，以便于限制沿着可动的杆的气态流体的通过。本发明还公开了一种具有机器钻孔的集成冷罩，一种在热罩中的保温幕，以及具有弹性恢复装置的自主驱动系统。
【IPC分类】F02G1/053
【公开号】CN105492751
【申请号】CN201480042675
【发明人】金-马克·乔夫罗伊, 马丁·比达, 卢克·丹多
【申请人】布斯特赫特公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年6月16日
【公告号】CA2916005A1, EP3011161A1, US20160146152, WO2014202885A1
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