專利名稱：用于從第一介質(zhì)向第二介質(zhì)傳遞熱量的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于從相對較冷的第一介質(zhì)向相對較熱的第二介質(zhì)傳遞熱量的 方法和裝置。
背景技術(shù)：
US4107944涉及一種用于產(chǎn)生加熱和冷卻的方法和裝置，即通過使得工作流體在 由轉(zhuǎn)子承載的通道內(nèi)循環(huán)，使得所述工作流體在其中壓縮，以及在除熱換熱器中從所述工 作流體中除去熱量和在加熱換熱器中向所述工作流體中加入熱量，所有換熱器都由所述轉(zhuǎn) 子承載。工作流體密封于其中，并且工作流體可以是合適的氣體，例如氮氣。還提供工作流 體換熱器以在轉(zhuǎn)子內(nèi)在兩種所述工作流體流之間進行換熱。US4005587涉及一種用于將熱量從低溫熱源輸送至更高溫度散熱器中的方法和裝 置，使用通過離心力而在旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子中壓縮的可壓縮工作流體，同時伴隨溫度提高。熱量從加 熱的工作流體傳遞給處于更高溫度的散熱器，且在膨脹和冷卻之后，熱量從更冷的熱源加 入工作流體中。在轉(zhuǎn)子內(nèi)提供冷卻，以便控制工作流體密度，從而有助于工作流體循環(huán)。由 US3828573、US3933008、US4060989 和 US3931713 可知類似的方法和裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于高效產(chǎn)生高溫介質(zhì)和/或低溫介質(zhì)的方法。因此，本發(fā)明的方法包括使得所容納量的可壓縮流體繞旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)；沿遠離 旋轉(zhuǎn)軸線的方向壓縮該流體；從壓縮的流體向相對較熱的第二介質(zhì)傳遞熱量；使得流體沿 朝著旋轉(zhuǎn)軸線的方向膨脹；從第一介質(zhì)向流體傳遞熱量，同時至少基本防止在膨脹的流體 和壓縮的流體之間進行熱量傳遞。在一個方面，熱量在膨脹的過程中從第一介質(zhì)傳遞給流體。在還一方面，流體至少基本等熵地壓縮和/或至少基本等溫地(isothermically) 膨脹。在還一方面，至少基本等壓地使得熱量從壓縮的流體傳遞給第二相對較熱的介 質(zhì)，即在流體中的壓力在熱量傳遞過程中保持至少基本恒定。在還一方面，流體在膨脹之后在壓縮之前加熱。在該階段加入熱量將減小供給轉(zhuǎn) 子的功的量(相對于從壓縮流體傳遞給第二介質(zhì)的熱量)。在還一方面，該方法包括通過包含在第二介質(zhì)中的熱量來在熱轉(zhuǎn)換循環(huán)中產(chǎn)生 功，例如使用斯特林發(fā)動機。產(chǎn)生的功的至少一部分能夠用于使得所容納量的流體旋轉(zhuǎn)。還有，熱轉(zhuǎn)換循環(huán)的 至少一部分剩余熱量可以用于在膨脹之后和在壓縮之前加熱流體。因此，獲得的組合方法 具有產(chǎn)生的功和輸入的熱量的增大比率。在還一方面，該方法用于例如在空調(diào)系統(tǒng)中提供冷卻，且熱量在壓縮過程中從流 體傳遞給相對較熱的介質(zhì)，并在膨脹過程中或在膨脹之后和在壓縮之前傳遞給流體。
本發(fā)明的方法能夠以相對較高的效率來產(chǎn)生熱、冷和/或功。本發(fā)明的方法可以至少局部通過從周圍環(huán)境獲取和/或溫度至少與周圍環(huán)境的 溫度基本相等的介質(zhì)來操作。通過本發(fā)明獲得的熱和冷介質(zhì)也可以例如用于加熱或冷卻建筑物，或者在更大規(guī) 模上用于通過例如Carnot循環(huán)或“蒸汽循環(huán)”來發(fā)電。本發(fā)明還涉及一種用于從相對較冷的第一介質(zhì)向相對較熱的第二介質(zhì)傳遞熱量 的裝置，它包括可旋轉(zhuǎn)地安裝在框架中的氣密轉(zhuǎn)子，還包括安裝在轉(zhuǎn)子內(nèi)部的壓縮機；第 一換熱器，用于將熱量從流體傳遞給第二介質(zhì)，并定位成離轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線相對較遠；膨脹 腔室，用于使得流體膨脹；以及槽道，用于將膨脹的流體從膨脹腔室傳送給壓縮機，其中，第 一換熱器與槽道熱隔離。在一個方面，該裝置包括第二換熱器，該第二換熱器與膨脹腔室熱連接，或者形成 膨脹腔室的一部分。在還一方面，第一換熱器用于至少基本等壓地將熱量從壓縮的流體傳遞給相對較 熱的第二介質(zhì)。因此，在一個實施例中，第一換熱器平行于氣密轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線延伸，即處 于離所述軸線至少基本恒定的距離，從而避免或減少勢能的波動和流體壓力的波動。在一 個方面，換熱器的截面面積和形狀在它的大部分或全部長度上恒定。在還一方面，至少一個換熱器與建筑物例如房屋或辦公室的加熱系統(tǒng)和/或空調(diào) 系統(tǒng)連接。在還一方面，通常當本發(fā)明用于工業(yè)規(guī)模時，至少一個換熱器與用于產(chǎn)生功的循 環(huán)連接。該循環(huán)可以包括蒸發(fā)器或過熱器，該蒸發(fā)器或過熱器與高溫換熱器熱連接；冷凝 器，該冷凝器與低溫換熱器熱連接；以及熱機。周圍環(huán)境通常將用作散熱器，但是也可以作 為高溫熱源(當循環(huán)的工作溫度足夠低時)。在還一方面，可壓縮流體是氣體，例如包含或基本由單原子元素構(gòu)成，具有的原子 量(Z)彡18，例如氬氣，或者彡36，例如氪氣和氙氣。根據(jù)本發(fā)明的至少一些方面，與只受到地球重力的柱相比，使用人造重力以減小 可壓縮流體的柱的長度，且大氣由允許在流體中有更大溫度梯度的氣體來代替?；旌峡梢?用于提高在流體內(nèi)的熱傳導(dǎo)。在本發(fā)明的框架中，將“梯度”定義為在從一點通向另一點時(例如沿柱體的徑 向)觀察到的特征的量的連續(xù)或臺階狀增大或減小。還有，術(shù)語“壓縮機”包括用于增加流 體的密度的任何葉輪。為了完整，應(yīng)當知道，DE3238567涉及一種用于產(chǎn)生溫度差以便加熱或冷卻的裝 置。在外力的作用下，在氣體中形成溫度差。通過利用離心力和通過高分子量的氣體，該效 果增大至這樣的程度，它對于技術(shù)上的使用很重要。W003/095920涉及一種用于傳輸熱能的方法，其中，熱能通過第一換熱器G、4a、 4b)而傳輸至旋轉(zhuǎn)離心機的內(nèi)部腔室(3)中，在內(nèi)部腔室(3)中提供了氣態(tài)的能量傳遞介 質(zhì)，且熱量通過第二換熱器(5 ；5a,5b)而從離心機( 排出。通過在平衡狀態(tài)下在轉(zhuǎn)子 (12)內(nèi)部提供氣態(tài)能量傳遞介質(zhì)以及通過將熱流徑向定向成朝外方向，可以大大降低使用 的能量。對于W003/095920的發(fā)明，重要的是防止對流(第2頁，最后一句)。US3902549涉及一種安裝成用于高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子。在它的中心布置了熱能源，而在它的周邊布置有換熱器。提供了腔室來容納氣體物質(zhì)，該氣體物質(zhì)可以根據(jù)它在腔室中的 位置來從熱能源接收熱量或向換熱器輸出熱量。W02006/119946涉及用于利用流動(通常是氣體或蒸氣)的原子或分子來從第一 區(qū)域(71)向第二區(qū)域傳遞熱量的裝置(70)和方法，其中，在一個實施例中，原子/分 子的無序運動(該無序運動通常通過簡單的分子運動而阻礙熱量的傳遞)這樣克服，即通 過使用優(yōu)選是細長的納米尺寸限制件(33)(例如碳納米管)來排列原子/分子以及然后使 它們受到沿要傳遞熱量的方向的加速力。加速力優(yōu)選是向心力。在可選實施例中，在納米 尺寸限制件中的分子Ge)可以布置成通過與細長限制件的伸長方向垂直地振動而傳遞熱 量。JP61165590和JP58035388涉及旋轉(zhuǎn)類型熱管。US^85202涉及用于能量轉(zhuǎn)換的 工業(yè)方法，它包括至少一個步驟，該步驟包括向存在的工作流體進行作用，以便產(chǎn)生壓縮或 膨脹。


下面將參考附圖更詳細地介紹本發(fā)明，附圖示意表示了適用于小型用途的本發(fā)明 第一裝置的剖視圖，在該實施例中用于加熱和/或冷卻房屋。圖1表示了適用于小型用途的本發(fā)明第一裝置的剖視圖，在該實施例中用于加熱 和/或冷卻房屋。圖2表示了包括壓縮機的本發(fā)明第一裝置的剖視圖，該壓縮機可以相對于氣密轉(zhuǎn) 子獨立地驅(qū)動。圖3A和;3B是本發(fā)明的方法的視圖。
具體實施例方式圖1中所示的裝置1包括靜止的基部框架2，該基部框架2牢固地定位在地板上； 氣密的外殼3，該外殼3牢固地安裝在框架2上；以及轉(zhuǎn)子4，該轉(zhuǎn)子4例如通過空心軸5和 合適的軸承(例如滾珠軸承6)而安裝在外殼3內(nèi)和基部框架2內(nèi)。軸承可以位于外殼的 外部，以便于維護和更換。轉(zhuǎn)子4的直徑在30至100厘米的范圍內(nèi)，在該實例中為50cm。轉(zhuǎn)子4的壁以自身 已知的方式來絕熱。裝置1還包括驅(qū)動裝置，在該實例中為電馬達7，以便使得轉(zhuǎn)子以在從 1500至9000RPM的范圍內(nèi)的速度旋轉(zhuǎn)。可以通過降低外殼3中的壓力(例如至真空)來降 低損耗。轉(zhuǎn)子4包含兩個換熱器8、9、壓縮機10、膨脹腔室11、絕熱器12以及用于供給液體 的導(dǎo)管13。絕熱器12包括與軸5同軸延伸的環(huán)形空心本體。為了提高絕熱，環(huán)形本體可以容 納絕緣材料或真空。絕熱器12和軸5確定了第一環(huán)形和同軸的腔室14，該腔室14形成在 膨脹腔室11的出口和壓縮機10的進口之間的流體連接。壓縮機10包括多個葉片15，并由轉(zhuǎn)子4的端壁和絕熱器12的彎曲端壁來界定。絕熱器12和轉(zhuǎn)子4的內(nèi)壁確定了第二環(huán)形和同軸的腔室16，該腔室16形成在壓 縮機10的出口和膨脹腔室11的進口之間的流體連接。一個換熱器8安裝在該第二腔室16內(nèi)部。在該實例中，換熱器8包括與轉(zhuǎn)子4的旋轉(zhuǎn)軸線(R)同軸的盤管17，并通過可旋轉(zhuǎn)的 流體接頭18而與供給源13A和出口 1 連接。膨脹腔室11包括多個葉片(未示出)，并因此用作渦輪。另一個換熱器9集成在 膨脹腔室11中，并通過可旋轉(zhuǎn)流體接頭而與供給源13C和出口 13D連接。在該實例中，轉(zhuǎn)子4充滿6巴壓力的氙氣(在環(huán)境溫度下和當轉(zhuǎn)子未旋轉(zhuǎn)時)。使得轉(zhuǎn)子4旋轉(zhuǎn)將在流體中產(chǎn)生徑向溫度梯度，且根據(jù)轉(zhuǎn)子4的角速度，溫度差 (ΔΤ)在從10至200°C的范圍內(nèi)。該梯度通過在壓縮機10中的基本等熵壓縮而放大，這又 產(chǎn)生或保持流體在轉(zhuǎn)子內(nèi)部的循環(huán)。在本發(fā)明的方法和裝置中用于產(chǎn)生或加強循環(huán)的其它方式包括—個或多個軸向風(fēng)扇位于例如用于從膨脹腔室向壓縮機傳送膨脹的流體的槽道 中；使用包括至少兩級的壓縮機，典型地同軸的分轉(zhuǎn)子，一級與膨脹腔室的相同軸線 連接；例如通過一個或多個珀爾貼(Peltier)元件來預(yù)先加熱相對較冷的第一介質(zhì)。相對較熱的壓縮流體流過第二環(huán)形腔室16，從而向換熱器8內(nèi)的介質(zhì)傳遞熱量。 在該實例中，介質(zhì)是以逆流流過換熱器8的水。加熱的水可以用于殼體的中心加熱。在傳遞熱量之后，流體從轉(zhuǎn)子4的周邊朝著旋轉(zhuǎn)軸線膨脹，從而使得溫度降低至 低于環(huán)境溫度。在膨脹過程中，流體通過在膨脹腔室11中的換熱器9和處于環(huán)境溫度的介 質(zhì)(例如來自周圍的水)或處于更高溫度的介質(zhì)(例如來自另一裝置的排氣)來加熱。最后，膨脹的流體通過第一環(huán)形腔室14流向壓縮機10的進口。附加的熱量可以 從例如流過空心軸5的介質(zhì)傳遞給流體。在可選實例中，用于驅(qū)動轉(zhuǎn)子的至少一個電馬達 安裝在軸內(nèi)部，這樣，該馬達的散熱傳遞給流體。通過絕熱器基本防止在壓縮的流體和膨脹 的流體之間的回熱換熱。本發(fā)明的方法和裝置能夠以相對高效率地產(chǎn)生熱、冷和/或功。在還一實施例中，壓縮機包括一轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子可以以比主轉(zhuǎn)子更高的角速度來旋 轉(zhuǎn)。在該實施例中，都旋轉(zhuǎn)的兩個轉(zhuǎn)子的平均角速度確定了溫度差，即當平均角速度增加 時，加熱的介質(zhì)(例如用于中心加熱的水)的溫度提高。在轉(zhuǎn)子的速度之間的差異確定了裝 置的熱輸出。因此，它例如可以在相對較低溫度下產(chǎn)生高的熱量輸出。通常，當離開裝置的 (相對較熱)介質(zhì)的溫度處于與用途(例如中心加熱)所需溫度相等的溫度時效率更高。圖2中表示了該實施例的一個實例。下面集中介紹與圖1所示實施例的差異。圖2中所示的裝置1的外殼3包括外殼3，該外殼3又包括由絕熱材料(例如纖維 增強聚合物)制造的中心部分3A和由金屬例如鋁制造的端部殼體:3B。外殼3通過軸5而 可旋轉(zhuǎn)地安裝在框架(未示出)內(nèi)，并有例如55cm的直徑。轉(zhuǎn)子4是外殼3的中心部分3A 的集成部分，并包含兩個換熱器8、9、壓縮機10、膨脹腔室11、絕熱器12和用于供給液體的 導(dǎo)管13。絕熱器12包括與軸5同軸延伸的環(huán)形空心本體。為了加強絕熱，環(huán)形本體可以包 含絕熱材料。軸5為空心，并通過在它的壁中的狹槽5A而形成在膨脹腔室11的出口和壓 縮機10的進口之間的流體連接。壓縮機10可旋轉(zhuǎn)地安裝在軸5上，包括多個葉片15，并由 轉(zhuǎn)子4的端壁來界定。
確定于中心部分3A中的同軸腔室16形成在壓縮機10的出口和膨脹腔室11的進 口之間的流體連接。同軸腔室的截面面積和環(huán)形形狀在它的長度上恒定。一個換熱器8包 圍該第二腔室16。在該實例中，換熱器8包括多個軸向延伸管17，用于與同軸腔室16中 的流體進行逆流換熱；以及絕熱返回管(未示出)，該絕熱返回管通過可旋轉(zhuǎn)流體接頭而分 別與供給源13A和出口 1 連接。膨脹腔室11包括多個葉片(未示出)，并因此用作渦輪。另一個換熱器9集成在 膨脹腔室11中，并通過可旋轉(zhuǎn)流體接頭而與供給源13C和出口 13D連接。在該實例中，轉(zhuǎn)子4充滿10巴壓力的氙氣(在環(huán)境溫度下和當轉(zhuǎn)子未旋轉(zhuǎn)時)。該裝置的循環(huán)在圖3A和;3B中所示，并包括通過壓縮機(10)進行的等熵壓縮 (1-2)、在第二腔室(16)中進行的等壓換熱0-3)以及在膨脹腔室(11)中進行的等溫膨脹 (3-1)。在另一實施例中，本發(fā)明的裝置主要布置成例如在空調(diào)系統(tǒng)中提供冷卻，且流體 的循環(huán)反向。熱量在流體的壓縮過程中例如通過在壓縮腔室(11)中的換熱器(9)而從流 體傳遞給相對較熱介質(zhì)，并在膨脹過程中或者在膨脹之后和壓縮之前例如通過換熱器(圖 中未示出)而傳遞給流體，該換熱器在裝置的軸(5)中或附近，并與要冷卻的介質(zhì)連接。在還一實施例中，裝置包括串聯(lián)或并聯(lián)連接的兩個或更多轉(zhuǎn)子。例如，在包括兩個 串聯(lián)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)中，來自第一轉(zhuǎn)子的加熱介質(zhì)供給第二轉(zhuǎn)子的低溫換熱器。因此，當與第一 轉(zhuǎn)子中的熱量傳遞相比時，在第二轉(zhuǎn)子中傳遞給高溫換熱器的熱量大大增加。來自第一轉(zhuǎn) 子的、冷卻的介質(zhì)可以用作冷卻劑，例如在空調(diào)中。本發(fā)明并不局限于上述實施例，它們可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)以多種方式變化。 例如，其它介質(zhì)例如二氧化碳、氫氣和CF4可以用于轉(zhuǎn)子的換熱器中。
權(quán)利要求
1.一種從相對較冷的第一介質(zhì)向相對較熱的第二介質(zhì)傳遞熱量的方法，包括 使得所容納量的可壓縮流體繞旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)；因此沿遠離旋轉(zhuǎn)軸線的方向壓縮該流體； 從壓縮的該流體向該第二介質(zhì)傳遞熱量； 使得該流體沿朝著旋轉(zhuǎn)軸線的方向膨脹； 從該第一介質(zhì)向該流體傳遞熱量；同時至少基本防止在膨脹的該流體和壓縮的該流體之間進行熱量傳遞。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中熱量在膨脹的過程中從該第一介質(zhì)傳遞給該流體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中該流體至少基本等熵地壓縮和/或至少基 本等溫地膨脹。
4.根據(jù)前述任意一個權(quán)利要求所述的方法，其中至少基本等壓地使得熱量從壓縮的 該流體傳遞給相對較熱的該第二介質(zhì)。
5.根據(jù)前述任意一個權(quán)利要求所述的方法，其中在膨脹之后在壓縮之前加熱該流體。
6.根據(jù)前述任意一個權(quán)利要求所述的方法，其中該第一介質(zhì)從周圍環(huán)境獲取，和/或 溫度至少基本等于周圍環(huán)境的溫度。
7.根據(jù)前述任意一個權(quán)利要求所述的方法，其中壓縮和膨脹通過以不同速率旋轉(zhuǎn)的 單獨葉輪來進行。
8.根據(jù)前述任意一個權(quán)利要求所述的方法，其中可壓縮流體包含或基本由單原子元 素構(gòu)成，具有的原子量(Z)彡18，優(yōu)選是彡36。
9.一種用于從相對較冷的第一介質(zhì)向相對較熱的第二介質(zhì)傳遞熱量的裝置(1)，包括 可旋轉(zhuǎn)地安裝在框架O)中的氣密轉(zhuǎn)子G)，還包括安裝在轉(zhuǎn)子內(nèi)部的壓縮機(10)；第一換熱器(8)，用于將熱量從流體傳遞給該第二介質(zhì)，并定位成離轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸 線相對較遠；膨脹腔室(11)，用于使得該流體膨脹；以及槽道(14)，用于將膨脹的流體從膨脹腔室(11)傳送給壓縮機(10)，其中，第一換熱器(8)與槽道(14)熱隔離。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置(1)，還包括第二換熱器(9)，該第二換熱器與膨脹腔 室(11)熱連接，或者形成膨脹腔室的一部分。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的裝置(1)，其中壓縮機(10)包括轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子可相對 于主轉(zhuǎn)子(4)旋轉(zhuǎn)。
12.根據(jù)權(quán)利要求9-11中任意一個所述的裝置(1)，其中第一換熱器(8)用于至少基 本等壓地將熱量從壓縮的該流體傳遞給相對較熱的第二介質(zhì)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置(1)，其中第一換熱器(8)平行于氣密轉(zhuǎn)子(4)的旋 轉(zhuǎn)軸線延伸。
14.包括至少一個馬達(7)，用于驅(qū)動轉(zhuǎn)子，其中，馬達(7)安裝在轉(zhuǎn)子(3)內(nèi)部，并與 用于從膨脹腔室(11)向壓縮機(10)傳送膨脹流體的槽道(14)熱連接。
15.根據(jù)權(quán)利要求9-14中任意一個所述的裝置(1)，其中一個或多個換熱器包括板換 熱器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于從第一相對較冷介質(zhì)向第二相對較熱介質(zhì)傳遞熱量的方法和裝置(1)，包括可旋轉(zhuǎn)地安裝在框架(2)中的氣密轉(zhuǎn)子(4)，還包括安裝在轉(zhuǎn)子(4)內(nèi)部的壓縮機(10)；第一換熱器(8)，用于將熱量從流體傳遞給第二介質(zhì)，并定位成離轉(zhuǎn)子(4)的旋轉(zhuǎn)軸線相對較遠；膨脹腔室(11)，用于使得流體膨脹；以及槽道(14)，用于將膨脹的流體從膨脹腔室(11)傳送給壓縮機(10)，其中，第一換熱器(8)與槽道(14)熱隔離。
文檔編號F25B3/00GK102077038SQ200980125017
公開日2011年5月25日 申請日期2009年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月4日
發(fā)明者F·胡斯 申請人:海利奧斯技術(shù)有限公司