组合式泵和阀装置 技术领域 本发明一般涉及泵和阀组件。 本发明优选地但是并非唯一地涉及一种用于将热能 转换成电能的发电机系统。
背景技术 在用于将热能转换成电能的已知发电机系统中提供适当磁材料的磁路和布置于 磁路周围的线圈。 温度变化装置在相变温度如居里点以上和以下交替地变化磁路的温度以 由此变化磁路的磁阻， 并且磁路的所得磁化由可变磁阻调制以便在布置于磁路周围的线圈 中感应电能。 温度变化装置通过磁路交替地传递热流体和冷流体并且包括通常一个或者数 个馈送泵、 管道和阀组。
这样的布置的问题在于实现能量低效的流体循环并且该布置往往变得复杂。
发明内容
因此本发明的目的在于提供一种具有简化而改进的结构和操作的组合式泵和阀装置。 本发明的具体目的在于提供可以提供流体的顺畅和能量高效循环的这样一种组 合式泵和阀装置。
本发明的又一目的在于提供动态可控、 可靠、 灵活和成本合理的这样一种组合式 泵和阀装置。
本发明的又一目的在于提供可以在用于将热能转换成电能的发电机系统的温度 变化装置中使用的这样一种组合式泵和阀装置。
这些目的以及其它目的根据本发明由如所附专利权利要求书具体说明的组合式 泵和阀装置实现。
根据本发明的一个方面， 提供一种组合式泵和阀装置， 该装置包括 ： 圆柱形外壳 ； 轴， 对称地布置于外壳中 ； 设备， 固定地附接到轴并且与圆柱形外壳紧密配合， 由此在外壳 内限定分离室 ； 多个出口 / 入口， 沿着外壳的圆周固定地布置 ； 以及多个轴向布置的入口 / 出口， 各入口 / 出口固定地连接到分离室中的相应室。分离室以及轴向布置的入口 / 出口 响应于轴和设备相对于外壳的旋转与沿着外壳的圆周固定布置的各出口 / 入口交替地有 流体连接。另外， 该设备包括用于响应于轴和设备的旋转通过组合式泵和阀装置泵送流体 的推进器装置。
在本发明的一个实施例中， 该设备包括与圆柱形外壳紧密配合的构件， 该构件将 外壳内的分离室和推进器装置限定为分离部分。有利地， 推进器装置包括如在轴向方向上 所见各自在构件的各侧处的两个推进器。
在本发明的另一实施例中， 该设备为单件设备， 该设备有利地包括成形为在使单 件设备旋转之时获得推进功能的表面。也就是说， 与外壳紧密配合并且在外壳内限定分离 室的单件设备在两个轴向方向上具有适当成形的表面以类似于先前实施例的两个推进器
的操作。因此， 两个不同功能 ( 室划分功能和推进功能 ) 由单个部件实现。
本发明以简易、 可靠和稳健并且可以用来实现平稳和能量高效的流体泵送和分配 的组合式泵和阀装置为特征。
本发明的组合式泵和阀装置可以用于热磁发电机设备中的流体热循环、 但是可以 代之以使用于完全不同的应用 ( 其中应当代之以在单个管中输出不同特征的流体 ) 中。
根据下文给出的对本发明优选实施例的下文具体描述和附图 1-7 将清楚本发明 的更多特征及其优点， 该描述和附图仅通过示例来给出， 因此并不限制本发明。 附图说明
图 1 在透视图中示意地显示根据本发明一个实施例的组合式泵和阀装置。 图 2 和图 3 在透视图中示意地显示可以在图 1 的装置中使用的设备的示例。 图 4 和图 5 各自在透视图中示意地显示根据本发明又一实施例的组合式泵和阀装 图 6 和图 7 示意地显示包括本发明的组合式泵和阀装置的热磁发电机系统。置。
具体实施方式
在图 1 中公开了根据本发明一个实施例的组合式泵和阀装置。空心圆柱体或者圆 柱形外壳 41 容纳对称布置的可旋转轴 42， 构件 43 固定地附接到该轴。与圆柱形外壳 41 紧 密配合地提供优选为热隔离的构件 43， 并且该构件限定装置的四个实质上分离和相同的隔 间或者室 44a-d。各室 44a-d 由从轴 42 径向延伸到外壳 1 并且轴向延伸的两个侧壁以及从 轴 42 径向延伸到外壳 1 并且在两个侧壁之间沿圆周延伸的顶盖限定。两个室 44a、 44c 固 定地连接到第一轴向布置的入口或者出口 45a 并且配置成接收或者输出第一特征的流体， 而两个室 44b、 44d 固定地连接到第二轴向布置的入口或者出口 45b 并且配置成接收或者输 出第二特征的流体。
另外， 多个出口或者入口 46a-f 沿圆周布置于外壳 41 中、 优选为相互之间的距离 相等。沿圆周布置的出口或者入口 46a-f 可以通过使轴 42 和构件 43 旋转、 由此也使室 44a-d 旋转来交替地放置成与相应室 44a-d 有流体连通。
另外， 推进器装置 47a-b 固定地装配到外壳内的轴 42 上用于响应于轴 42 的旋转 通过组合式泵和阀装置泵送至少一种流体。优选地， 推进器装置包括如轴向方向上所见在 构件 43 的各侧各有一个的两个单独推进器 47a-b。 推进器的结构可以用于针对讨论的应用 而获得适当泵送操作的任何适合种类。
轴 42 有利地借助于轴承装配于圆柱形外壳 41 中， 并且提供例如电机 ( 未示出 ) 这样的装置以在轴 42 上施加驱动转矩。
在组合式泵和阀装置在第一操作模式中的操作期间， 轴 42 以及构件 43 和推进器 装置 47a-b 借助电机相对于外壳 41 和出口 46a-f 平稳旋转， 由此通过第一轴向布置的入口 或者出口 45a 将第一特征的流体抽吸到固定地连接至第一轴向布置的入口或者出口 45a 的 两个室 44a、 44c 中， 并且通过第二轴向布置的入口或者出口 45b 将第二特征的流体抽吸到 固定地连接至第二轴向布置的入口或者出口 45b 的两个室 44b、 44d 中。 因此， 轴向布置的入 口或者出口 45a-b 在这一操作模式中为入口。在构件 43 和其室 44a-d 相对于外壳旋转时，通过沿圆周布置的出口或者入口 46a-f 交替地输出第一和第二特征的流体， 这些出口或者 入口因此在这一操作模式中为出口。
沿圆周布置的出口 46a-f 交替地输出第一和第二特征的流体脉冲。用于给定数目 的室的旋转速度控制流体脉冲串的波长和频率， 并且出口的角间隔控制控制它们之间的相 移。
第一和第二特征的流体可以是不同温度的流体， 比如水或者其它热交换流体。取 而代之， 不同流体或者具有不同性质的流体由组合式泵和阀装置混合。
在第二操作模式中， 组合式泵和阀装置以往复方式操作以划分在这一操作模式中 为入口的沿圆周布置的出口或者入口 46a-f 接收的第一和第二特征的流体脉冲。轴 42 以 及构件 43 和推进器装置 74a-b 借助电机相对于外壳 41 和出口 46a-f 在相反方向上平稳旋 转。因此， 通过沿圆周布置的入口 46a-f 将第一和第二特征的流体脉冲交替地抽吸到外壳 41 的相应室 44a-d 中。在固定地连接到第一轴向布置的入口或者出口 45a 的两个室 44a、 44c 中收集的流体脉冲由此输出， 并且在固定地连接到第二轴向布置的入口或者出口 45b 的两个室 44b、 44d 中收集的流体脉冲由此输出。因此， 轴向布置的入口或者出口 45a-b 在 这一操作模式中为出口。如果轴 42 的旋转速度适应于流体脉冲的频率， 并且在沿圆周布置 的入口 46a-f 的流体脉冲之间的相移适应于沿圆周布置的入口 46a-f 的角间隔， 则第一特 征的流体可以由组合式泵和阀装置收集并且通过第一轴向布置的出口 45a 输出， 并且第二 特征的流体由组合式泵和阀装置收集并且通过第二轴向布置的出口 45b 输出。 可以允许构件 43 与圆柱形外壳 41 的壁之间的小间隔从而在仅混合数量可忽略不 计的流体时减少或者消除固体到固体的接触力。
组合式泵和阀装置能够在亚秒级用最小混合向共同出口 ( 或者若干共同出口 ) 分 配具有不同特征的工业级数量的流体。 组合式泵和阀装置允许来自切换的扰动最少的平稳 流体流动、 最小切换功率需求以及在有能力切换百万次循环时的长寿命。常规阀和活塞泵 太慢、 太具破坏性 ( 流动停止、 压力波 )、 功率需求大和 / 或在相当短的多个循环之后磨损。
图 2 和图 3 各自在透视图中示意地显示室划分构件 43’ ( 图 2) 和 43” ( 图 3)， 该 构件包括集成于其中的推进器装置， 该构件和推进器装置可以在图 1 的装置中用来取代构 件 43 和推进器装置 47a-b。各图在两个不同视图中公开了室划分构件。提供推进装置作 为构件 43’ 、 43” 的成形为在构件 43’ 、 43” 旋转之时获得推进功能的表面部分 43’ a、 43” a。 室划分构件和推进器装置因此在这里集成于提供室划分和旋转功能以及在两个轴向方向 的流动推进功能的单件部分或者本体中。
接着参照图 5， 根据本发明又一实施例的组合式泵和阀装置与图 1 的实施例不同 在于室划分和旋转构件 43 替换为在倾斜位置固定地装配于轴上的椭圆形盘 43” ’ 。椭圆形 盘 43” ’ 与圆柱形外壳 41 紧密配合地布置成限定第一和第二室 44” ’ a-b。椭圆形盘 43’ 有 倾角地布置于轴向位置使得在圆柱形外壳 41 的圆周的各出口 / 入口在轴 42 和圆形盘 43” ’ 相对于圆柱形外壳 41 旋转时与第一和第二室 44” ’ a-b 交替地有流体连接。
可以通过从直接比圆柱形外壳的内径略小的预钻孔的固体圆柱体切割椭圆形板 来制作它，
大量沿圆周布置的出口 / 入口通过沿圆周布置的出口 / 入口使与椭圆形盘 43” ’ 的扫描关联的可能压力变化最小化。在这样的事件的高峰期间， 椭圆形盘 43” ’ 可以根据所
选实际设计来覆盖全部出口 / 入口区域 ( 在出口 / 入口流动中必须容许一些不平稳 ) 或者 仅覆盖它的部分 ( 在出口 / 入口流动中必须容许一些混合 )。
椭圆形盘 43’ 可以是例如借助膨胀、 弯曲和 / 或扭转来适当地再成形、 由此需要不 同于椭圆形的形状、 并且可以变得更厚或者厚度不均以在其表面部分获得推进器装置 ( 例 如类似于图 2- 图 3 的构件 43’ 和 43” )， 由此使单独推进器装置 47a-b 变得并非必需。
由于图 4 的实施例包括仅两个室 44” ’ a-b， 所以输出脉冲的频率将为图 1 的实施 例产生的流体脉冲的频率的一半。
图 5 图示了根据本发明又一实施例的组合式泵和阀装置。这一实施例与图 1 的实 施例不同在于构件 43 为限定仅两个室 44” ” a-b 的另一构件 43” ” 所取代。固定地装配于轴 42 的构件 43” ” 具有两个端部 43” ” a-b 和轴向分离两个端部的中间部 43” ” c， 各端部实质 上覆盖外壳 41 的横截面的相应一半。
这一构件 43” ” 也可以被适当地成形使得推进器装置由其表面部分实现， 由此使单 独推进器装置 47a-6 并非必需。
本发明的组合式泵和阀装置适用于工业过程， 这些过程涉及到将具有不同特征的 流体交替分配到共同出口中、 将在每秒数个循环的速率最少混合时分离的流体持续保持例 如若干年。流体具有优选为大致相似的涉及诸如密度、 粘度等流体性质。它们可以由不同 物质如水和酒精或者由在不同性质状态下的相同物质如热水和冷水构成。 具体而言， 本发明的组合式泵和阀装置可以应用于发电厂的热磁或者磁热发电机 系统中。这样用于将热能直接转换成电能的热磁或者磁热发电机设备如图 6 中所示包括磁 环或者磁路 1、 温度变化设备 5 和布置于磁路 1 周围的线圈或者绕组 7。
磁路可以基本上为铁或者其它磁材料 2、 但是至少包括由例如在区间 0-100℃中 具有适当相变温度的磁材料制成的部分 3。 取而代之， 磁路的实质部分或者整个磁路为具有 适当相变温度的磁材料。
提供温度变化设备 5 用于优选地以约 1Hz 或者以上的频率变化由如下磁材料制 成的部分中的温度， 该磁材料具有交替地在磁材料的磁相变温度以上和以下的适当相变温 度。磁相变温度的示例是居里温度和奈尔温度。温度变化设备 5 优选地包括流体回路， 该 回路包括热源、 冷源、 管道以及至少两个本发明的组合式泵和阀装置。
在相变温度以上和以下的温度迅速变化引起磁材料的导磁率剧变、 因此引起磁路 1 的磁阻迅速变化。具体而言， 磁化强度在施加恒定磁场时迅速变化。
假如在磁路 1 中提供磁通量， 磁阻的迅速变化将调制磁通量， 由此在磁路 1 中获得 迅速变化的磁通量。因而在线圈 7 中获得磁动势和交变电流。磁通量可以由永磁体或者如 图 1 中由电磁体提供。
有利地从线圈中感应的电流取得用于电磁体的电流。为此， 电容器 9 与线圈 7 并 联连接以由此形成谐振电路 11， 其中调节在磁材料的相变温度以上和以下的温度变化频率 以优化向谐振电路 11 的谐振能量传送。有利地， 谐振电路 11 的谐振频率与在磁材料的相 变温度以上和以下的温度变化频率之比约为 1/2 或者 n/2， 其中 n 为正整数。
因此， 单个线圈将用于将热能变换成电能并且用于在磁路 1 中提供磁通量。这样 的交变方向的场提供更成本高效的装置。
在第一热循环的一半中感应的电流 / 电荷的部分 ( 例如大部分 ) 由电容器 9 存储
并且在第一热循环的后一半中用来在磁路 1 中生成磁通量。这一第一热循环对应于电循环 的一半。在电流和电压相移 180 度的第二热循环内重复该过程。
为了能够控制谐振频率以及由线圈 7 和电容器 9 形成的电路的电抗， 通过电容器 9 连接完全可控负载或者功率电子电路器件 13。优选地， 负载具有各自单独和个别可控的电 感分量 / 电容分量和电阻分量。有利地， 负载可以用来调节有功功率。提供适当控制设备 15 用于控制负载 13。可以提供不同测量设备 ( 比如热传感器 16、 电流互感器 17 和电压互 感器 18) 以向控制设备 15 供应适当测量数据。 热传感器 16 可以向控制设备 15 供应在具有 适当相变温度的磁材料中或者在磁材料处或者在温度变化设备 5 中或者在温度变化设备 5 处瞬时测量的温度数据。互感器 17、 18 可以向控制设备 15 供应在谐振电路 11 中瞬时测量 的电压和电流数据。
因此可以动态控制负载的阻抗幅度和相位。阻抗的变化频率和周期可控， 并且谐 振电路 11 的谐振频率和周期也可控。另外， 控制设备 15 可以被配置成控制在相变温度以 上和以下的温度迅速变化幅度和频率。
另外， 可以提供控制设备 15 以例如通过向磁路 1 递送电流脉冲来启动发电机设备 的操作、 即开始谐振振荡。 最后将参照图 7 描述多相热磁发电机设备。提供三个仅示意地表示的磁路 1， 各 磁路是参照图 6 描述的种类并且各磁路操作性地连接到相应 LC 电路 11， 该 LC 电路包括并 联连接的绕组或者线圈 7 和电容器 9。各 LC 电路 11 的谐振频率如前文一样实质上类似于 如由温度变化设备 5 产生的温度变化频率。多相发电机设备还有利地包括在输出处连接到 三个发电机单元或者相的电容器 9 的功率转换设备。控制线圈 7 和功率转换设备以与热变 化的循环匹配并且由此实现从电路分接最优能量。功率转换设备可以包括 AC/DC 或者 AC/ AC 频率转换器或者功率电子转换器， 这包括电流和电压源转换器 36， 该转换器包括整流器 和在整流器的 DC 侧的逆变器。互感器 37 连接到电压源转换器 36 的输出以将来自多相发 电机的在约 1kV 和 1Hz 的输出电压和频率变换成适合于正常电网连接的频率和电压 (50Hz、 10kV)。设备的额定值通常大于 1kW。
温度变化设备 5 包括外部， 该外部包括第一外管装置 21( 其中热流体由馈送泵 22 循环 ) 和第二外管装置 23( 其中冷流体由馈送泵 24 循环 )。外部的热流体和冷流体相互完 全隔离以及与磁路 1 的材料完全隔离。
第一外管装置 21 中的热流体经由第一热交换器 26 向第一中间管装置 25 中的流 体传热， 并且第二外管装置 23 中的冷流体经由第二热交换器 28 向第二中间管装置 27 中的 流体传冷。第一和第二中间管装置 25、 27 中的各装置连接于本发明的第一组合式泵和阀装 置 29 的轴向入口 / 出口与本发明的第二组合式泵和阀装置 30 的轴向入口 / 出口之间以向 第二组合式泵和阀装置 30 传送来自第一组合式泵和阀装置 29 的流体。 注意可以使用图 1、 图 4 和图 5 的组合式泵和阀装置 ； 然而沿圆周装置的出口 / 入口数目必须适应于该应用。
应当理解外部可以替换为用于在热交换器 26 和 28 中传热和传能的任一其它种类 的装置。例如， 可以经由焚化炉、 热沙、 太阳能加热板等在第一热交换器 26 中向第一中间管 装置 25 中的流体传热。
最后， 第一 31、 第二 32 和第三内管装置各自经由磁路 1 中的相应磁路连接于第二 组合式泵和阀装置 30 与第一组合式泵和阀装置 29 之间。
单一流体在温度变化设备 5 的内部中流动， 该内部包括中间管和内管装置以及第 一和第二组合式泵和阀装置。内部因此提供闭合流体回路。
提供第二组合式泵和阀装置 30 用于将来自第一中间管装置 25 的热流体和来自第 二中间管装置 27 的冷流体交替地切换到其间相移优选为 120°的第一、 第二和第三内管装 置 31、 32、 33 中的各装置中。因此， 第二组合式泵和阀装置 30“斩断” 热和冷流体并且形成 向各内管装置中馈送的交替热和冷流体脉冲串。第二组合式泵和阀装置 30 因此在如参照 图 1 所述第一操作模式中操作。
随着热和冷流体脉冲穿过或者经过磁路 1 的磁材料中的孔， 将如上文结合图 1 的 实施例所述交替地在相变温度以上加热和在相变温度以下冷却磁材料。术语 “热流体” 和 “冷流体” 这里旨在于分别包括 “温度在磁路的部分 3 的磁材料的相变温度以上的流体” 和 “温度在磁路的部分 3 的磁材料的相变温度以下的流体” 。
在已经穿过磁材料之后， 在热与冷流体脉冲之间的温度变化更小和更平稳。热和 冷流体脉冲串然后在相应内管装置 31、 32、 33 中返回到与热和冷流体脉冲串同步的第一组 合式泵和阀装置 29。 提供第一组合式泵和阀装置 29 用于交替地将来自第一、 第二和第三内 管装置 31、 32、 33 的更热流体脉冲切换到第一中间管装置 25 中并且将来自第一、 第二和第 三内管装置 31、 32、 33 的更冷流体脉冲切换到第二中间管装置 27 中。因此， 更热和更冷流 体脉冲返回到它们从其始发的相应中间管装置。第一组合式泵和阀装置 29 因此在如参照 图 1 所述第二操作模式中操作。
第一中间管装置 25 中的流体然后返回到第一热交换器 26 以便再次加热， 并且第 二中间管装置 27 中的流体然后返回到第二热交换器 28 以便再次冷却。
内部中的流体在单个方向上由集成到组合式泵和阀装置中的推进器装置驱动。 图 7 的组合式泵和阀装置 29、 30 可以装配于单个轴上以与其间的适当相移同时 / 同步旋转。
在一个替代版本中， 具体地在更热与更冷流体脉冲之间的温差低时， 来自第一、 第 二和第三内管装置的更热和更冷流体脉冲可以无需切换回到第二和第一中间管装置中。 因 此， 可以省却第一组合式泵和阀装置 29， 并且可以代之以使用另一种被动分配或者混合装 置以便向第二和第一中间管装置返回流体。如果使用开放电路， 则无需返回流体。
通过如上文参照图 7 所述温度变化设备 5 来实现以准连续或者连续方式的热循 环。 通过让流体在单向闭合回路中循环来完全避免其中使用阀接通和关断流体流动的传统 有破坏性和能量低效的循环。