本發(fā)明涉及用于將熱量轉化成液壓能、機械能或電能的能量單元。

更具體地，本發(fā)明涉及利用相變材料特性的能量單元，相變材料的體積變化由從固相到液相和從液相到固相的每次相變來限定，體積變化用作產(chǎn)生機械能、液壓能或其他形式能量的驅動力。

背景技術：

例如，這樣的能量單元從專利US 2011/0024075已知，其中，能量單元描述成缸和能夠在缸中運動的活塞的形式，活塞在缸中封閉出室，室內(nèi)填充有這樣的相變材料：在因受熱而從固態(tài)轉變到液態(tài)時，相變材料膨脹，由此使缸中的活塞運動，此運動能夠用于施加機械力。

由于缸中相變材料交替地受熱和冷卻，相變材料可以交替地熔化和凝固，因此體積膨脹和收縮，這引起活塞的往復運動，此運動能夠轉換成用于驅動馬達或其它裝置的運動。

能量單元的另一示例從國際專利申請WO 2010/074616已知，其中，能量單元描述成圓筒形壓力容器的形式，壓力容器中具有彈性囊，囊內(nèi)填充有液壓流體，并且在由相變材料殼體包圍的空間中囊軸向延伸穿過壓力容器，相變材料填充壓力容器與囊之間的空間。隨著相變材料的體積增加，液壓流體被擠出上述囊，從囊產(chǎn)生的液壓流體的體積排量用于產(chǎn)生液壓能。

由于當彈性囊擠在一起時不存在摩擦損失，這樣的能量單元比活塞—缸形式的構造更加高效。

如WO 2010/074616中所描述的能量單元的劣勢在于：由于體積變化，囊的直徑承受相對大的變化，這導致囊的材料中相對高的應力，最后導致囊的壽命縮短。

另一劣勢在于：當囊擠在一起時會發(fā)生摺疊，這使囊局部弱化，或者甚至閉合囊的一些部分而阻止這些部分中的液壓流體排出，使得這些部分中積聚特別高的壓力，這不利于轉化成有用的液壓能，并且構成囊撕裂的風險。

另一劣勢在于：這樣的能量單元的結構相對復雜，并且部件的組裝和更換相對復雜且花費許多時間。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為一個或多個上述的和其它的劣勢提供解決方案。

為此，本發(fā)明涉及用于將熱量轉化成液壓能、機械能或電能的能量單元，此能量單元設置有壓力容器，壓力容器中具有兩個室，兩個室由不可滲透的彈性膜相互分隔開，分別地，第一室填充有體積隨著從固相到液相和從液相到固相的每次相變而變化的相變材料，第二室在能量單元使用時填充有液壓流體，并且能量單元設置有能夠交替地加熱和冷卻相變材料的裝置，以使相變材料能夠交替地從固相變?yōu)橐合嗪蛷囊合嘧優(yōu)楣滔啵看蜗嘧儼殡S著第一和第二室的容積變化，并且第二室設置有至少一條通道，其隨著第二室的每次容積變化而作為液壓流體的輸入部和/或輸出部，其特征在于，能量單元構造成當相變材料相變從而第一室中相變材料的體積增加時，膜彈性脹大。

根據(jù)本發(fā)明的能量單元的優(yōu)勢在于：膜不會隨著相變材料的膨脹發(fā)生不期望的摺疊。

此外，如在WO 2010/074646中所描述的已知能量單元的情形中，膜的尺寸不受能量單元內(nèi)部相對小可用空間的限制，使得膜的材料中的應力可以分布到較大的面積中，對于相變材料的相同體積變化，可以減少應力，從而可以提高膜的壽命。

在根據(jù)本發(fā)明的能量單元的實用實施例中，壓力容器部分地由第一管形成，并且膜構造為同心地附裝在第一管中的第二管，填充有相變材料的第一室由膜環(huán)繞，設置成填充液壓流體的第二室環(huán)繞膜在殼體與膜之間延伸。

因此，相變材料處于能量單元的芯部中，并且隨著體積增加而將環(huán)繞膜的液壓流體(例如，油)推到外側。

因為液壓流體處于管形膜的外側，液壓流體的相同體積排量僅需較小的膜直徑擴大，這導致膜中的應力更小。

在此實用實施例中，兩個室優(yōu)選地都由保持在壓力容器中互相間隔一定距離的兩個蓋限定，其中，優(yōu)選地至少一個蓋并且優(yōu)選地兩個蓋是可拆卸的，并且膜的自由邊緣以密封的方式保持在這些蓋中，或者保持在蓋與殼體之間。

這樣，部件的組裝及更換或者維護特別地容易和快捷。

在此方面中，優(yōu)選地是：將至少一個蓋(優(yōu)選地兩個蓋)構造為兩個部分，其中，第一部分保持在壓力容器中，第二部分緊固在第一部分中或者抵靠第一部分緊固，并且膜的前述邊緣夾持在第一和第二部分之間以形成兩個室之間的密封，這使部件的組裝和更換更為容易。

更廉價的解決方案是將蓋制成單個部分，在組裝的時候，膜的邊緣夾持在蓋與壓力容器的壁之間。

為了防止膜承受不期望的變形，膜可以在其外周上的一些位置處設置有肋，作為膜與壓力容器內(nèi)壁之間的間隔部，以防止液壓流體隨著相變材料的膨脹而被截留在膜與壓力容器之間的一些區(qū)域中而無法輸出至輸出部的情況發(fā)生。

這些肋也可以作為膜的強化肋。

以同樣的方式，壓力容器的內(nèi)壁也可以設置有這樣的肋。

優(yōu)選地，能夠交替地加熱和/或冷卻相變材料的前述裝置由熱交換器形成，熱交換器具有延伸穿過相變材料的管道，管道設置成附裝在熱介質的供給部和出口上，和/或附裝在冷介質的供給部和出口上。

這具有優(yōu)勢：可以利用能夠從通常作為工業(yè)過程副產(chǎn)品產(chǎn)生的水或類似形式的廢熱流回收的熱量，對于現(xiàn)有的能量回收系統(tǒng)而言，由于這些廢熱流的溫度通常不足夠用來以經(jīng)濟的方式回收能量，這些熱量通常作為不能利用的熱量而損失。

在此方面中，有用的是：選擇具有盡可能低熔化溫度(優(yōu)選地介于25℃到95℃之間，并且優(yōu)選地低于60℃)的相變材料。

這樣，也可以低溫(例如，低于60℃)從廢熱流回收熱量。

對于預定的應用而言，石蠟或蠟是合適的相變材料，其取決于石蠟或蠟的類型而具有低的熔化溫度(例如，大約45℃)，以及當從固相轉變?yōu)橐合鄷r體積顯著增加，并且優(yōu)選地在凝固時再次占據(jù)其原來的體積。

本發(fā)明還涉及用于從熱介質回收熱量并且將熱量轉化為液壓能、機械能或電能的裝置，此裝置包括至少一個如上所述的具有管式熱交換器的能量單元，能量單元的第二室連接至液壓回路，以驅動諸如馬達或缸這樣的液壓負載，并且第一室中的熱交換器經(jīng)由閥系統(tǒng)連接至具有冷介質供給部的回路和具有熱介質供給部的回路，冷介質的供給溫度低于相變材料的熔化溫度，熱介質的供給溫度高于相變材料的熔化溫度，并且閥系統(tǒng)使冷介質和熱介質在一定的時段中交替地被驅動通過熱交換器。

利用這樣的裝置，可以將廢熱流的熱能轉換成有用的液壓能、機械能或電能。

附圖說明

為了更好地示出本發(fā)明的特征，下面參考附圖以示例而沒有任何限制的方式描述根據(jù)本發(fā)明的能量單元的一些優(yōu)選實施例，其中：

圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的能量單元切去一半的透視圖；

圖2示出了圖1的能量單元的剖視圖，但是省略了一部分；

圖3示出了由圖2中箭頭F3指出的膜；

圖4示出了由圖2中方框F4指出部分的放大剖視圖，這次沒有省略；

圖5示出了由圖4中方框F5指出部分的更加放大的剖視圖；

圖6非常示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的設置有根據(jù)本發(fā)明能量單元的裝置，其中，相變材料處于固態(tài)；

圖7示出了圖6的裝置，但是相變材料處于熔化態(tài)；

圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的能量單元的替代實施例的剖視圖；

圖9示出了如圖4那樣的剖視圖，但是為根據(jù)本發(fā)明的能量單元的變例。

具體實施方式

在此實例中，圖1中示出的能量單元1包括圓筒形壓力容器2，壓力容器在其兩端具有可拆卸的蓋3，在此實例中，通過螺母形式的保持環(huán)4在壓力容器2中使兩個蓋3之間保持一定距離。

壓力容器2制得能夠承受非常高的壓力，例如高達10,000kPa(1000bar)的壓力，這取決于特定應用中所期望的壓力。

由壓力容器2和由蓋3限定的空間通過圓筒形的膜5分隔成兩個室，分別地，第一室6由膜5本身環(huán)繞，第二室7環(huán)繞膜5在壓力容器2與膜5之間延伸，如能在圖2中清楚地看到的那樣。

膜5由不可滲透的彈性材料制成，諸如橡膠(例如，丁腈橡膠)或彈性體或者復合材料等，并且通過自由邊緣8在每端以密封的方式保持在相關的蓋3中。

為此，膜5的前述邊緣8設置有增厚部9，增厚部能夠作為成一體的密封部，并且在圖4和5的實施例中，蓋3由兩個部分構成，其中，第一部分3A通過前述的保持環(huán)4保持在壓力容器2中，第二部分緊固在第一部分中或者抵靠第一部分緊固，并且膜5的具有增厚部9的前述邊緣8夾持在兩個部分3A和3B之間圍成的室10中。

每個蓋3的第二部分3B通過螺栓11等夾靠在第一部分3A上。

密封件12和13設置在蓋3與壓力容器2之間及蓋3與保持環(huán)4之間。

在朝向第二室7的外側上，膜5設置有一定厚度的一個或多個肋14(在此實例中為圓周肋14)，肋可以在局部作為膜5與壓力容器2之間的間隔部，也可以作為膜5的強化肋14。在示出的例子中，肋14和膜5由相同的材料一體制成，但這不是嚴格必要的。

以同樣的方式，壓力容器2在朝向膜5的內(nèi)側上設置有一定厚度的肋15，這些肋15優(yōu)選地也構造成圓周肋15，并且優(yōu)選地設置成與膜5的對應肋14相對。

能量單元1還設置有一束管道17形式的管式熱交換器16，管道軸向延伸穿過第一室6，并且在其端部18通過密封O形圈20保持在各個蓋3中的通道19中。

第一室6中管道17周圍的空間填充有相變材料23，在能量單元1沒有使用時，相變材料處于如圖4中所示的固態(tài)，在此狀態(tài)下相變材料占據(jù)的體積恰好足夠填充在能量單元為空且沒有使用時的第一室6，或者稍微大于第一室6的空容積，使得在此狀態(tài)下膜在徑向方向上沒有張緊，或者僅僅稍微張緊。

管道17形成壓力容器2的兩個端部21和22之間的連接，這些端部21和22可以作為熱介質或冷介質的入口和/或出口，熱介質或冷介質可以引導通過入口和/或出口來加熱或冷卻相變材料23，以使相變材料23熔化或凝固。

優(yōu)選地，管道17在其外側上設置有徑向方向的鰭片(未在圖中示出)，這是要增大管道17與相變材料23之間的傳熱面積。此外，鰭片形成了支撐相變材料23的骨架。取決于應用，徑向方向的鰭片之間的距離可以是恒定的或變化的。

管道可以相反地設置有位于內(nèi)側上的內(nèi)鰭片，這是要例如增大管道中的介質與管道之間的傳熱面積，或者引起介質渦旋等，并且產(chǎn)生微通道，這樣湍流換熱更優(yōu)。

相變材料23優(yōu)選地是具有介于25℃到95℃之間的低熔化溫度的材料，或者更優(yōu)地利用熔化溫度低于60℃的介質，以能夠在介質處于低溫時使相變材料23熔化。

合適的相變材料23的例子是石蠟或蠟，其在熔化態(tài)下的體積顯著大于固態(tài)。

在使用能量單元時，第二室7填充有來源于液壓回路的液壓流體24，液壓回路通過兩個連接接頭25液壓地連接至第二室7，每個連接接頭旋擰在壓力容器2的通道26中，并且連接接頭設置有帽27，帽防止膜5在徑向方向上從壓力容器2推到接頭25或通道26中。

膜5作為第一室6中的相變材料與第二室7中的液壓流體之間的不可滲透的分隔。

使用根據(jù)本發(fā)明的能量單元1是非常簡單的，下面基于圖7進行闡述，其中，能量單元1示出為根據(jù)本發(fā)明的裝置28的構成部分，裝置用于從熱介質的供給部A回收熱量，熱介質具有比相變材料23的熔化溫度更高的溫度。

熱介質的此供給部A經(jīng)由閥系統(tǒng)29連接至能量單元1的端部21，而能量單元1的另一端部22連接至熱介質驅動通過能量單元1的管式熱交換器16之后的出口B。

類似地，能量單元1經(jīng)由前述的閥系統(tǒng)29連接至冷介質的供給部C和此相同介質通過熱交換器16之后的出口D。

供給的冷介質具有的溫度低于相變材料23的熔化溫度。

閥系統(tǒng)29使冷介質和熱介質可以在一定的時段中交替地驅動通過熱交換器16。

能量單元1還經(jīng)由連接接頭25與另一閥系統(tǒng)30連接至液壓回路31，以驅動液壓負載32(此處以示例的方式示出為用于驅動發(fā)電機34的液壓馬達33)。

閥系統(tǒng)30設置成使得流體總是以相同的方向在回路31中循環(huán)。

裝置如下操作。

以如圖6中所示的相變材料23處于固態(tài)的狀態(tài)開始，例如，對于大約十五秒的第一時段，控制閥系統(tǒng)29使得在此時段期間熱介質從供給部A被驅動通過管式熱交換器16至出口B(如圖7中所示)，同時冷介質的供給部和出口是關閉的。

由于熱介質的熱量，相變材料23受熱而熔化，使得相變材料23的體積增加，因此徑向推動膜5，使得第二室7的容積變小，并且液壓流體以一定的壓力被壓出此室7而進入到回路31中，此壓力取決于此回路的液壓阻力，尤其取決于負載32的載荷需求。

在隨后的時段期間，如圖6中所示，通過閥系統(tǒng)29的適當控制，冷介質而不是熱介質被驅動通過熱交換器16。

因此，熔化的相變材料23再次凝固且體積減小，使液壓流體可以從回路31流回能量單元。

這樣，能量單元1如同心跳式地工作，以交替地向負載32供給液壓油。

在實際中，一連串的若干能量單元1總是連接至回路31，閥系統(tǒng)29將確保能量單元1的一部分同時地且在相等的時段中被供給熱介質,而另一部分被供給冷介質，并且這些單元交替地且同時地從冷介質切換到熱介質或者從熱介質切換到冷介質，使得總是存在單元將液壓流體驅動到負載32，并且液壓流體可以總是以相同的方向非常規(guī)律地驅動。

圖8示出了能量單元的一變例，其中，閥系統(tǒng)29的一部分以止回閥36的形式在能量單元1的每個端部21和22處集成在雙聯(lián)連接件35中，止回閥處于設置在每個連接件35中用于連接到熱回路和冷回路的兩個連接部37和38的每個中。

圖9示出了能量單元1的一變例，在此實例中，蓋構造為單個部件，并且膜5的邊緣夾持在壓力容器2的壁與單個部件式蓋3之間用于夾持目的的凹室10中。

盡管在示例中示出壓力容器2和膜5構造為同軸的兩圓筒，但是不排除確保膜5隨著相變材料23的膨脹而彈性撐脹的其它形式。

除了使用隨著熔化而膨脹的相變材料23以外，不排除使用隨著熔化而收縮的相變材料。

也不排除：除管式熱交換器16外，使用其他裝置來交替地加熱和冷卻相變材料23。

此外，不排除管道17不是直管，而是彎曲成例如U形的、例如在其兩端保持在同一蓋3中的管道。

本發(fā)明絕不限于作為示例描述和在附圖中示出的實施例，但是根據(jù)本發(fā)明的能量單元能夠以所有種類的形式和尺寸實現(xiàn)，而不會背離本發(fā)明的范圍。