热力发动机及其制造方法与流程

1.本发明涉及一种热力发动机及其制造方法。特别地，所描述的热力发动机利用流体的相变来将热能转换为机械能。


背景技术：

2.热力发动机是一种将热量转换为功，或换句话说，将热能转换为机械能的循环装置。通常，热力发动机包含诸如气体或流体的工作物质，该工作物质从高温储存器中吸收热量，在其周围做功并在返回其初始状态时释放热量。在本领域中已知存在根据该基本原理运行的许多不同类型的热力发动机，诸如内燃机。
3.热力发动机的工作物质循环地经历压力、温度和容积的变化以及热量的增加和去除。例如，在内燃机中，包含燃料-空气混合物的气体被压缩然后点燃，导致气体随后膨胀并驱动活塞。活塞的运动被配置为排出点燃的气体并引入未点燃的气体以继续循环。
4.尽管内燃机普遍使用，但内燃机也存在许多缺点。内燃机需要燃料才能运行，并且不能依靠来自外部高温(th)源的废热运行。必须点燃燃料以驱动活塞，活塞会产生噪音并需要许多移动部件。随着时间的推移，这些部件会随着使用而退化和失效，需要定期维护并最终限制发动机的使用寿命。此外，适用于内燃机的燃料通常限于昂贵的、精炼的气态或液态烃类化合物。此外，燃料的燃烧会产生不期望的有毒和不环保的气体。内燃机也不具有可扩展性，因此不适合大规模发电。
5.外燃机由外部高温(th)源通过热交换器或发动机壁加热工作流体而运行。热量导致工作流体膨胀，从而驱动活塞。外燃机，诸如蒸汽机可以利用多种类型的热源，并且这种发动机被广泛使用。然而，这些发动机通常适用于大规模发电，因此是大型、笨重、昂贵的装置，可能不安全且效率相对较低。外燃机还包括产生噪音并需要维护的移动部件。


技术实现要素：

6.本发明的方面的目的是提供一种热力发动机，该热力发动机消除或至少减轻了本领域已知的热力发动机的上述缺点中的一个或多个缺点。
7.根据本发明的第一方面，提供了一种热力发动机，包括：
8.壳体；
9.位于壳体内的第一液体和第二液体，第一液体比第二液体具有更高的密度和更低的沸点；
10.将热量传递到第一液体以使第一液体蒸发以形成第一液体蒸气的热交换器；和
11.响应于由第一液体蒸气和第二液体的相互作用产生的流体流动而移动的至少一个流体流动构件。
12.最优选地，壳体是可密封的。热力发动机是封闭式热力发动机。在该布置中，在运行期间不添加和/或去除第一液体和/或第二液体。
13.优选地，第一液体和第二液体占据壳体的内部容积。第一液体和第二液体可以在
壳体的内部容积内混合。
14.优选地，第一液体位于壳体的第一部分内。第二液体位于壳体的第二部分内。
15.最优选地，第一液体是去矿物质水，并且第二液体是二甲苯。替代地，第一液体是去矿物质水，并且第二液体是煤油。替代地，第一液体是十氟戊烷，并且第二液体是去矿物质水。替代地，第一液体是三氯甲烷，并且第二液体是去矿物质水。
16.优选地，热力发动机的运行温度范围在110℃至150℃之间。替代地，热力发动机的运行温度范围在70℃至90℃之间。
17.优选地，热交换器将热量从外部高温热源传递到第一液体。
18.优选地，热交换器是壳体的第一部分。替代地，热交换器是管道。管道可以穿过壳体的第一部分。
19.可选地，热力发动机可以进一步包括一个或多个球体。一个或多个球体位于热力发动机的内部容积内。一个或多个球体悬浮在第一液体和/或第二液体中。一个或多个球体的密度介于第一液体的密度和第二液体的密度之间。球体与第一液体、第二液体和/或第一液体蒸气不发生化学反应。优选地，球体是磁中性的。替代地，球体是磁性的。
20.最优选地，至少一个流体流动构件可以采用一个或多个杆的形式。一个或多个杆可以包括第一端部和第二端部。一个或多个杆的第一端部优选地安装到壳体的内部表面。一个或多个杆可以延伸到壳体的内部容积中。一个或多个杆的第二端部优选地自由移动。一个或多个杆的第二端部优选地朝向壳体的中心轴线定位。
21.优选地，一个或多个杆围绕内部表面均匀地分布。替代地，一个或多个杆围绕内部表面不均匀地分布。
22.优选地，一个或多个杆垂直于内部表面定向。替代地，一个或多个杆不垂直于内部表面定向。
23.优选地，一个或多个杆具有一致的尺寸。替代地，一个或多个杆具有不一致的尺寸。
24.优选地，一个或多个杆由相同的材料成分组成。一个或多个杆可以由黄铜组成。替代地，一个或多个杆由不同的材料成分组成。
25.可选地，至少一个流体流动构件可以采用一个或多个板的形式。一个或多个板优选地包括一个或多个穿孔。一个或多个板优选地被定尺寸为呈壳体的圆形截面的形式。一个或多个板可以安装到壳体的内部表面。一个或多个板可以与壳体的中心轴线相交。
26.可选地，至少一个流体流动构件可以采用一个或多个隔膜的形式。一个或多个隔膜可以包括一个或多个穿孔。
27.可选地，至少一个流体流动构件可以采用一个或多个球体的形式。一个或多个球体是磁性的。
28.优选地，壳体包括入口和出口。入口和出口优选地是可密封的。
29.可选地，热力发动机进一步包括凝结回路。凝结回路将热量从第一液体蒸气传递到外部低温散热器或热源。凝结回路优选地使第一液体蒸气凝结并且使第一液体返回到壳体的第一部分。
30.可选地，热力发动机进一步包括槽。槽可以包括第一液体。槽优选地连接到壳体。槽保持壳体的第一部分内的第一液体的液位。
31.根据本发明的第二方面，提供了一种能量收集系统，该能量收集系统包括根据本发明的第一方面的热力发动机、能量转换装置和外部高温热源。
32.可选地，能量收集系统可以进一步包括外部低温散热器或热源。
33.最优选地，能量收集系统可以进一步包括振动聚集装置。
34.优选地，振动聚集装置包括至少两个聚集构件，至少两个聚集构件中的每一者均具有用于附接到振动源的第一端部、和第二端部，其中，至少两个聚集构件布置成使得聚集构件之间的间隔从第一端部向第二端部减小。
35.最优选地，至少两个聚集构件均包括位于第一端部和第二端部之间的第一部分。至少两个聚集构件的第一部分相对于彼此成角度，使得至少两个聚集构件在第二端部处会聚。
36.优选地，至少两个聚集构件均包括位于第一端部处的第二部分。优选地，至少两个聚集构件的第二部分是大体上平行的。
37.最优选地，振动聚集装置进一步包括背板。至少两个聚集构件的第一端部可以固定到背板。至少两个聚集构件的第二部分可以固定到背板。
38.优选地，至少两个聚集件均包括位于第二端部处的第三部分。至少两个聚集构件的第三部分是大体上平行的。至少两个聚集构件的第三部分限定振动聚集装置的聚集点。
39.优选地，至少两个聚集构件由黄铜组成。
40.可选地，至少两个聚集构件包括两个或多个层和/或涂层。两个或多个层和/或涂层可以表现出不同的振动和/或热特性。至少两个层和/或涂层可以包括不同的尺寸、材料、密度和/或晶粒结构。
41.可选地，至少两个聚集构件包括第一层和第二层。第一层固定到第二层。第一层可以由黄铜组成。第二层可以由钢组成。
42.可选地，振动聚集装置进一步包括一个或多个弹性件。一个或多个弹性件连接至少两个聚集构件。
43.可选地，振动聚集装置进一步包括一个或多个配重，一个或多个配重附接到至少两个聚集构件中的一个或多个聚集构件。
44.可选地，振动聚集装置进一步包括动态控制系统。动态控制系统在运行期间改变振动聚集装置的振动特性。动态控制系统可以调节弹性件的刚度。动态控制系统可以调节配重的位置和/或量级。
45.可选地，振动聚集装置可以包括三个聚集构件。
46.最优选地，聚集构件是聚集板。
47.替代地，聚集构件是聚集杆。
48.最优选地，振动聚集装置的第一端部固定到热力发动机。
49.最优选地，能量转换装置位于振动聚集装置的第二端部处。优选地，能量转换装置位于至少两个聚集构件的第三部分之间。
50.可选地，热力发动机的壳体进一步包括可密封的开口。热力发动机的杆直接连接到振动聚集装置的聚集构件。杆穿过可密封的开口。
51.优选地，能量转换装置是一个或多个压电晶体。附加地或替代地，能量转换装置是一个或多个纳米线圈；和/或一个或多个线圈。
52.替代地，能量转换装置是线圈。线圈可以缠绕在热力发动机的壳体周围。
53.本发明的第二方面的实施例可以包括用于实施本发明的第一方面的优选或可选特征的特征，或者本发明的第一方面的实施例可以包括用于实施本发明的第二方面的优选或可选特征的特征。
54.根据本发明的第三方面，提供了一种制造热力发动机的方法，该方法包括：
[0055]-提供壳体；
[0056]-提供位于壳体内的第一液体和第二液体，第一液体比第二液体具有更高的密度和更低的沸点；
[0057]-提供使第一液体蒸发以形成第一液体蒸气的热交换器；以及
[0058]-提供响应于由第一液体蒸气和第二液体的相互作用产生的流体流动而移动的至少一个流体流动构件。
[0059]
优选地，制造热力发动机的方法可以进一步包括确定外部高温热源的特性。
[0060]
优选地，确定外部高温热源的特性可以包含确定外部高温热源的温度、能量、功率、可变性和/或持续时间。
[0061]
优选地，制造热力发动机的方法可以进一步包括确定用于与外部高温热源一起使用的热力发动机的最佳参数。
[0062]
优选地，确定用于与外部高温热源一起使用的热力发动机的最佳参数可以进一步包括利用外部高温热源的特性。
[0063]
优选地，确定热力发动机的最佳参数可以包括确定：热力发动机的尺寸；第一液体和第二液体的体积、相对比例和化学成分；至少一个流体流动构件的分布、取向、尺寸和/或材料成分；热力发动机与高温(th)热源的运行距离；是否需要凝结回路；是否需要槽。
[0064]
本发明的第三方面的实施例可以包括用于实施本发明的第一方面和/或第二方面的优选或可选特征的特征，或者本发明的第一方面和/或第二方面的实施例可以包括用于实施本发明的第三方面的优选或可选特征的特征。
[0065]
根据本发明的第四方面，提供了一种制造能量收集系统的方法，该方法包括：
[0066]-提供根据本发明的第三方面的热力发动机；
[0067]-提供外部高温热源；以及
[0068]-提供能量转换装置。
[0069]
优选地，制造能量收集系统的方法包括提供外部低温散热器或热源。
[0070]
优选地，制造能量收集系统的方法可以包括提供振动聚集装置。
[0071]
优选地，提供振动聚集装置包括：
[0072]-提供至少两个聚集构件，至少两个聚集构件均具有第一端部和第二端部；以及
[0073]-布置至少两个聚集构件使得至少两个聚集构件之间的间隔从第一端部向第二端部减小。
[0074]
优选地，提供振动聚集装置进一步包括确定热力发动机的特性。
[0075]
优选地，确定热力发动机的特性包括量化以下参数中的任一项：热力发动机的尺寸、至少一个流体流动构件的尺寸和任何机械振动的频率特性。
[0076]
优选地，提供振动聚集装置可以进一步包括确定用于与热力发动机一起使用的振动聚集装置的最佳参数。
[0077]
优选地，确定振动聚集装置的最佳参数包括确定至少两个聚集构件的最佳长度、最佳宽度和/或最佳深度；和/或至少两个聚集构件的第一端部的最佳间隔；和/或至少两个聚集构件的第二端部的最佳间隔；和/或用于使至少两个聚集构件会聚的最佳距离；和/或用于至少两个聚集构件的最佳的一种或多种材料；和/或至少两个聚集构件的一种或多种材料的最佳热膨胀系数。
[0078]
可选地，确定最佳参数还可以包含：确定至少两个聚集板的第一层和第二层的深度；第一层的材料；和第二层的材料。第一层可以由黄铜组成。第二层可以由钢组成。
[0079]
优选地，在提供振动聚集装置之前执行提供热力发动机。
[0080]
可选地，制造振动能量收集系统的方法可以是迭代的。在提供振动聚集装置之后可以优化热力发动机。
[0081]
本发明的第四方面的实施例可以包括用于实施本发明的第一方面、第二方面和/或第三方面的优选或可选特征的特征，或者本发明的第一方面、第二方面和/或第三方面的实施例可以包括用于实施本发明的第四方面的优选或可选特征的特征。
附图说明
[0082]
现在将仅通过示例的方式参照附图描述本发明的各种实施例，在附图中：
[0083]
图1示出了根据本发明的实施例的热力发动机的示意性剖视图；
[0084]
图2示出了图1的热力发动机的剖视立体图；
[0085]
图3示出了运行中的图1的热力发动机的示意性剖视图；
[0086]
图4示出了运行中的图1的热力发动机的替代实施例的示意性剖视图；
[0087]
图5示出了图1的热力发动机的替代实施例的剖视立体图；
[0088]
图6示出了包括图1的热力发动机的能量收集系统的示意性剖视图；
[0089]
图7示出了图6的振动能量收集系统中采用的振动聚集装置的立体图；
[0090]
图8示出了图7的振动聚集装置的示意性剖视图；
[0091]
图9示出了：(a)当振动聚集装置附接到内燃机时，由位于图7的振动聚集装置的第二端部处的压电晶体产生的电压的曲线图和(b)由参考压电晶体产生的电压的曲线图；
[0092]
图10示出了图7的振动聚集装置的替代实施例的示意性剖视图；
[0093]
图11示出了图7的振动聚集装置的另一替代实施例的示意性剖视图；
[0094]
图12示出了图7的振动聚集装置的又一替代实施例的示意性剖视图；
[0095]
图13示出了图6的能量收集系统的替代实施例的示意性剖视图；
[0096]
图14示出了制造图1的热力发动机的方法的流程图；
[0097]
图15示出了图6的替代能量收集系统的示意性剖视图；
[0098]
在下面的描述中，相同的部分在整个说明书和附图中用相同的附图标记表示。附图不一定是按比例绘制的，并且某些部分的比例已经被扩大以更好地说明本发明的实施例的细节和特征。
具体实施方式
[0099]
现在将参照图1至图15描述本发明的说明。
[0100]
热力发动机
[0101]
图1描绘了包括大体上柱形的、可密封的壳体2的热力发动机1。壳体2由不锈钢组成，特别地由sa516 gr.65组成。为便于理解，图1还描绘了具有r轴线、θ轴线和z轴线的柱面坐标系。
[0102]
可以看出，热力发动机1包括均位于壳体2中的第一液体3和第二液体4。第一液体3和第二液体4占据壳体2的内部容积5。第一液体3比第二液体4具有更高的密度，但是更低的沸点。如此，当在壳体2中自由混合第一液体3和第二液体4时，第一液体3位于壳体2的第一部分6内、在壳体2的底部处，第二液体4位于壳体2的第二部分7内、在第一液体3之上。
[0103]
例如，第一液体3可以是去矿物质水，第二液体4可以是二甲苯。去矿物质水的密度约为二甲苯的密度的1.2倍，去矿物质水的沸点为100℃，比二甲苯的沸点138.5℃低。去矿物质水和二甲苯在室温(20℃)和压力下均呈液态。包括作为第一液体3和第二液体4的去矿物质水和二甲苯的热力发动机1适合在110℃至150℃之间的温度下运行。
[0104]
表i中提供了第一液体3和第二液体4的进一步示例以及包括第一液体3和第二液体4的热力发动机1的运行温度范围。表i中的所有第一液体3和第二液体4在室温(20℃)和压力下均呈液态。此外，可以理解，通过使用表i中所公开的液体和组合之外的不同的第一液体3和第二液体4以及第一液体3和第二液体4的不同组合，可以实现与表i中详述的那些运行温度范围不同的运行温度范围，诸如低于70℃至90℃的运行温度范围。
[0105]
表i：第一液体、第二液体及包括第一液体和第二液体的热力发动机的运行温度范围的示例。
[0106]
第一液体第二液体运行温度范围(℃)去矿物质水二甲苯110-150去矿物质水煤油110-150十氟戊烷去矿物质水70-90三氯甲烷去矿物质水70-90
[0107]
热力发动机1还包括热交换器，该热交换器将热量从外部高温(th)热源8传递到第一液体3以使一定量的第一液体3蒸发。第一液体3不直接暴露于外部高温(th)热源或携带来自外部高温(th)热源8的热量的任何外部流体。在图1的实施例中，热交换器采用壳体2的第一部分6的形式。
[0108]
热力发动机1进一步包括至少一个流体流动构件9。从图2中可以清楚地看出，至少一个流体流动构件采用杆10的形式。每个杆10具有第一端部11和第二端部12。杆10的第一端部11安装到壳体2的内部表面13。杆10延伸到壳体2的内部容积5中。杆10的第二端部12可以自由移动并朝向壳体2的中心轴线14定位。杆10在θ和z两个方向上分布在壳体2的内部表面13上。杆10位于壳体2的第二部分7内。图1至图3将杆10描绘为围绕内部表面13均匀分布、垂直于内部表面13定向并且都具有统一的尺寸，诸如统一的长度。杆10可以由青铜和/或黄铜制成，因为相对高的密度可以有效地传输任何移动或机械振动。
[0109]
壳体2包括可密封的入口15和可密封的出口16。可密封的入口15位于壳体2的顶部端部17处、穿过壳体2的第二部分7并提供了将第一液体3和第二液体4添加到壳体2中的途径。类似地，可密封的出口16位于壳体2的底部端部18处、穿过壳体2的第一部分6并提供了从壳体2排放第一液体3和第二液体4的途径。为了填充壳体2并保持壳体2处于正压力下，第一液体3和第二液体4可以通过泵送系统19泵入和泵出壳体2。
[0110]
图3示出了运行中的、也就是说正将热能转换为机械能的、图1的热力发动机1。热力发动机1是封闭式发动机，使得在运行期间不添加或去除第一液体3和第二液体4。壳体2的第一部分6暴露于外部高温(th)热源8，导致热能通过壳体2被传递到第一液体3。如此，第一液体3的一部分蒸发以形成第一液体蒸气。第一液体蒸气采用气泡20的形式。气泡20的密度比第一液体3和第二液体4的密度都低。如此，气泡20沿正z方向移动，进入壳体2的第二部分7中并穿过第二液体4。来自外部高温(th)热源8的热能以气泡20的运动的形式转换为动能。
[0111]
气泡20和第二液体4以相对运动和/或热梯度的形式相互作用产生流体流动。更具体地，流体流动包括第一液体3、第二液体4和气泡20的流动。例如，流体流动在图3中通过箭头描绘。该流体流动可以是层流的和/或湍流的。流体流动在杆10内引起移动，或更具体地，流体流动在杆10内引起机械振动。如此，气泡20的动能被转换成机械振动能。例如，气泡20的层流的流体流动可能导致气泡20直接与杆10碰撞，使杆10偏转。此外，气泡20和第二液体4的湍流的流体流动可以在杆10内引起移动和/或机械振动。
[0112]
每个气泡20都消耗动能和热能。结果，每个气泡20将最终凝结以形成第一液体3的液泡21。由于液泡21的密度大于第二液体4的密度，该液泡21朝向底部端部18往回下沉，进入壳体2的第一部分6中。液泡21往回下沉穿过壳体2的第二部分7的优点是，液泡21可以进一步产生流体流动，并在杆10内引起移动和/或机械振动。
[0113]
作为替代实施例，可以理解，壳体2可以采用任何规则或不规则的三维形状来代替柱形。
[0114]
作为附加或替代实施例，热交换器可以采用穿过壳体2的第一部分6的管道22的形式，参见图4。携带来自外部高温(th)热源8的热量的外部流体经过管道、将热量间接传递到第一液体3。由于管道22与第一液体3有更大的热接触，管道22比通过壳体2的第一部分6更有效地将热量传递到第一液体3。
[0115]
作为附加或替代实施例，杆10的分布可以是不均匀的。作为另一附加或替代实施例，杆10可以不垂直于内部表面13定向。作为另外的附加或替代实施例，杆10的尺寸、诸如杆长度、可以变化。作为又一另外的附加或替代实施例，杆10的材料成分可以变化。此外，杆10的分布、取向、尺寸和材料成分可以进行计算优化。
[0116]
作为附加或替代实施例，图4的热力发动机1进一步包括球体23a。球体23a位于热力发动机1的内部容积5内、悬浮在第一液体3和第二液体4中。球体23a响应于由气泡20和第二液体4的相互作用产生的流体流动而围绕壳体2的内部容积5移动。除了由流体流动直接引起的移动之外，球体23a与杆10碰撞，还在杆10内引起进一步的移动、或更具体地、机械振动。球体23a的密度介于第一液体3的密度和第二液体4的密度之间，使得球体23a悬浮在第一液体3和第二液体4中时不会太重或浮力太大。此外，球体23a与第一液体3、第二液体4和气泡20不发生化学反应。球体23a也是磁中性的。可以优化球体23a的尺寸和材料成分以实现所期望的与流体流动的相互作用。作为另外的附加或替代实施例，球体23b可以是磁性的，如下面在图15的上下文中进一步讨论的。
[0117]
作为附加或替代实施例，图4的热力发动机1进一步包括凝结回路。代替气泡20被动地凝结，一旦气泡20在壳体2内失去足够的能量，凝结回路24就主动地使气泡20凝结。更具体地，一旦气泡20已经穿过壳体2的第二部分7，气泡16就经过凝结回路24，在凝结回路24
中外部低温(t
l
)散热器或热源25主动地冷却气泡20，使得气泡20凝结成液泡21。液泡21返回到壳体2的第一部分6。例如，如果气泡20积聚在壳体2的顶部端部17处，则凝结回路24会是有利的。
[0118]
作为另一附加或替代特征，图4的热力发动机1进一步包括第一液体3的槽26。槽26连接到壳体2并保持壳体2的第一部分6内的第一液体3的液位。当第一液体3在热力发动机1内蒸发时，这可能引起热力发动机1内的压力和/或容积的不可忽略的变化。槽26使压力和/或容积的任何变化最小化。
[0119]
作为附加或替代实施例，如图5所描绘的，至少一个流体流动构件可以采用包括穿孔28的板27的形式来代替杆10。板27被定尺寸为呈壳体2的圆形截面的形式，被安装到壳体2的内部表面13并且定向为与中心轴线14相交。流体流动在板27内引起移动和/或机械振动。例如，气泡20和液泡21的流体流动被板27阻挡并通过穿孔28重新定向，从而在板27中引起移动和/或机械振动。可以优化穿孔28的大小、分布和相对位置以增强热力发动机1内的湍流的流体流动。作为另外的附加或替代特征，板27可以是柔性的，也就是说，流体流动构件采用具有穿孔的隔膜的形式。
[0120]
向第一液体3传递热量、第一液体3蒸发以形成气泡20、能量从气泡20被传递到流体流动构件(也就是说，杆10、板27和/或隔膜)、和气泡20凝结以形成液泡21的过程被重复，从而形成一个循环。机械能(也就是说，移动和/或振动)可以进一步转换为电能。
[0121]
能量收集系统
[0122]
图6描绘了作为能量收集系统29、更具体地振动能量收集系统、的一部分的热力发动机1和外部高温(th)热源8。振动能量收集系统29进一步包括能量转换装置30。如果需要使气泡20凝结，能量收集系统可以可选地包括外部低温(t
l
)散热器或热源25。此外，振动能量收集系统29可以可选地包括振动聚集装置31。
[0123]
图7和图8描绘了在能量收集系统29中使用的合适的振动聚集装置31a。振动聚集装置31a可以是申请人的共同待审的英国专利申请号gb1911017.0中描述的类型。如此，振动聚集装置31a包括背板32和两个聚集构件。聚集构件采用第一聚集板33和第二聚集板34的形式。第一聚集板33和第二聚集板34均具有第一端部35和第二端部36。第一聚集板33和第二聚集板34均包括第一部分37，该第一部分37具有长度γ、位于第一端部35处的第二部分38和第二端部36处的第三部分39之间。
[0124]
第一聚集板33和第二聚集板34的第二部分38固定至背板32。如图7所示，第二部分38是成角度的以大体上平行于背板32并与背板32接触，使得第二部分38通过焊接固定至背板32。作为焊接的附加或替代方案，固定方式可以采用粘合剂、螺母和螺栓、铆钉、它们的组合或任何其他合适替代方式的形式。
[0125]
在图8中可以看出，第一聚集板33和第二聚集板34的第二部分38以大体上相同的取向固定至背板32并且以距离α间隔开。
[0126]
如在图8中还可以看出的，第一聚集板33和第二聚集板34的第一部分37相对于背板32成角度使得它们朝向彼此会聚。在当前描述的实施例中，第一聚集板33和第二聚集板34的第一部分37相对于背板32成角度，使得它们朝向这样的点会聚：所述点沿背板32的介于第一聚集板33和第二聚集板34的第二部分38之间的中间位置(α/2)处的法线位于距离β处。
[0127]
在第一聚集板33和第二聚集板34的第二端部36处的第三部分39是成角度的以是大体上平行的、并且优选地垂直于背板32，并且用作振动聚集装置31a的聚集点。
[0128]
如图6所描绘的，振动聚集装置31a附接到热力发动机1。振动聚集装置31a的背板32通过例如螺母和螺栓、焊接和/或任何其他适当的、等效的方式或它们的组合固定到热力发动机1。在热力发动机1的杆10中引起的机械振动通过热力发动机1的壳体1传输到振动聚集装置31a。
[0129]
如在图6中可以清楚地看出的，位于第一聚集板33和第二聚集板34的第三部分39之间的是能量转换装置30，该能量转换装置30采用一个或多个压电晶体40的形式。压电晶体40连接到电气部件41并且例如通过线缆42引导到适当的电气负载(未示出)。一个或多个压电晶体40将源自热力发动机1的振动机械能转换成有用的电能。替代的能量转换装置可以采用纳米线圈和磁铁的形式。
[0130]
应当理解，在能量收集系统29的附加或替代实施例中，压电晶体40可以直接附接到热力发动机1。然而，在如图6所描绘的实施例中，由于如图9基本上证明可以产生更多的电能，压电晶体40附接到振动聚集装置31。
[0131]
图9a示出了作为时间的函数的、当振动聚集装置31a附接到取代热力发动机1用作振动源的内燃机时由位于振动聚集装置31a的第一聚集板33和第二聚集板34的第三部分39之间的压电晶体40产生的电压。图9a描绘了0.743v的均方根电压。图9b示出了作为时间的函数的、由直接附接到内燃机的参考压电晶体(图中未示出)产生的电压。图9b描绘了0.003v的均方根电压。第三部分39之间的压电晶体40产生的电压大约是参考压电晶体的电压的248倍。
[0132]
以上情况的原因在于，振动聚集装置31a将振动从聚集板33、34的第一端部35传输、会聚和聚集至聚集板33、34的第二端部36。如此，聚集板33、34可以被认为相当于悬臂，因为每个聚集板33、34的第一端部35均固定到背板32，并且第二端部36自由移动，从而致动压电晶体40。
[0133]
如在图7中可以清楚地看出的，聚集板33、34是大体上三角形的。聚集板33、34的第一端部35相当于三角形的底部，第二端部36相当于三角形的(截断的)尖部。聚集板33、34的三角形形状使在与背板32相距一垂直距离β处容纳振动聚集装置31a所需的空间最小化，同时保持功能性。
[0134]
如图6至图8所描绘的振动聚集装置31a由黄铜制成，因为黄铜的密度相对较高，这有助于振动机械能通过振动聚集装置31a的有效传输。振动聚集装置31a替代地可以由适合传输振动能的其他金属、合金或甚至诸如陶瓷的非金属材料制成。
[0135]
作为附加或替代特征，图10的振动聚集装置31b进一步包括在第一聚集板33和第二聚集板34之间的弹性件43。将理解的是，振动聚集装置31b可以包括多个弹性件43。类似地，作为另外的附加或替代特征，图11的振动聚集装置31c进一步包括附接到第一聚集板33的配重44。同样，将理解的是，振动聚集装置31c可以包括位于第一聚集板33和第二聚集板34中的两者或仅一者上的重量相等或不等的多个配重44。作为另外的替代方案，振动聚集装置31可以包括弹性件43和配重44两者。弹性件43和配重44均通过使振动聚集装置31b、31c的共振频率发生阻尼作用和/或改变振动聚集装置31b、31c的共振频率来修改振动聚集装置31b、31c的振动特性，这提供了优化振动聚集装置31b、31c的特性的机制。图10和图11
示出了振动聚集装置31b、31c可以附加地包括动态控制系统45以动态地调节弹性件43的刚度、和/或配重44在第一聚集板33和/或第二聚集板34上的位置、和/或在第一聚集板33和/或第二聚集板34上的配重44的量级。例如，配重44可以采用容器的形式，通过动态控制系统45可以将水泵入和泵出该容器。动态控制系统45有助于在运行期间修改振动聚集装置31b、31c的振动特性。
[0136]
作为另一附加或替代特征，聚集构件可以包括多个层和/或涂层。不同的层和/或涂层由于包括例如不同的尺寸、材料、密度和/或晶粒结构，可以表现出不同的振动和/或热特性。
[0137]
例如，图12描绘了包括第一外层46和第二内层47的聚集板33、34。第二内层47可以没有第一外层46致密。发现这种布置改进了通过振动聚集装置31d的振动传输。作为另一示例，第一外层46的晶粒结构与第二内层47的晶粒结构相比更对齐。同样，这种布置改进了通过振动聚集装置31d的振动传输。作为另外的示例，第一层46可以由黄铜制成并且第二层47可以由钢制成。
[0138]
此外，还应注意，第一外层46和第二内层47的相对物理性能可以颠倒，使得例如第二内层47可以比第一外层46更致密。作为另外的替代方案，第一外层46的晶粒结构与第二内层47的晶粒结构相比更少地对齐。不同层的物理性能，诸如尺寸、材料、密度和/或晶粒结构根据最终取决于振动源、也就是说热力发动机1、的频率特性的期望振动和/或热特性进行优化。
[0139]
作为另外的替代方案，振动聚集装置31a、31b、31c、31d可以包括多于或少于两个的聚集板33、34。例如，仅具有第一聚集板33的振动聚集装置31a、31b、31c、31d可以抵靠热力发动机1，更具体地，抵靠壳体2的突出部分，致动位于第一聚集板33的第二端部36处的压电晶体40。相反，具有三个聚集板33、34的振动聚集装置31a、31b、31c、31d可以包括两组压电晶体40，一组压电晶体40位于第一聚集板和第二聚集板的第二端部36之间，另一组压电晶体位于第二聚集板34和第三聚集板48之间，如图13所示。
[0140]
作为又一替代方案，代替振动聚集装置31a、31b、31c、31d包括背板32，聚集板33、34可以直接固定到热力发动机1。
[0141]
图13示出了另一附加或替代实施例，其中热力发动机1的壳体2可以包括可密封的开口49，使得杆10穿过壳体2并直接连接到振动聚集装置31a、31b、31c、31d的聚集板33、34。如此，在杆10中引起的机械振动可以沿着杆10并直接沿着振动聚集装置31a、31b、31c、31d的聚集板33、34传播。在该实施例中，由于杆10直接连接到聚集板33、34，因此不需要背板32。无论杆10是否穿过开口49，开口49是可密封的，以确保壳体2不会泄漏。
[0142]
作为另外的替代方案，代替振动聚集装置31a、31b、31c、31d包括聚集板33、34，聚集构件可以采用聚集杆的形式。聚集杆可以只是热力发动机1的杆10的延伸部。此外，如图12所描绘的聚集板33、34的平面层46、47相当于聚集杆的同心层和/或涂层。有利地，聚集杆比聚集板33、34占据更少的空间。
[0143]
制造热力发动机的方法
[0144]
图14示出了制造热力发动机1的方法的流程图。该方法包括：提供壳体(s1001)；提供位于壳体内的第一液体和第二液体，第一液体比第二液体具有更高的密度和更低的沸点(s1002)；提供将热量传递到第一液体以使第一液体蒸发以形成第一液体蒸气的热交换器
(s1003)；并且提供响应于由第一液体蒸气和第二液体的相互作用产生的流体流动而移动的至少一个流体流动构件(s1004)。
[0145]
此外，制造热力发动机1的方法可以可选地包括表征外部高温(th)热源8。例如，这可以包括表征外部高温(th)热源8的温度、能量、功率、可变性和/或持续时间。在本发明的上下文中，术语高温(th)泛指高于环境温度的任何温度。
[0146]
作为另外的附加方案，制造热力发动机1的方法可以可选地包括利用高温(th)热源8的特性来确定热力发动机1的最佳参数。例如，该优化过程可以包括确定：热力发动机1的尺寸；第一液体3和第二液体4的体积、相对比例和化学成分；杆10的分布、取向、尺寸和材料成分；热力发动机1与高温(th)热源8的运行距离；是否需要凝结回路24；以及是否需要槽26。作为参数依赖性的示例，外部高温(th)热源8的温度和功率越高，热力发动机1的最大可行大小(即尺寸、体积)越大。在选择第一液体3和第二液体4时，诸如热容量、相对密度和相对沸点的因素是关键的考虑因素。优化热力发动机1是有利的，因为这确保了热力发动机1可以运行，例如，外部高温(th)热源8将提供足够的热量来使任意量的第一液体3蒸发。此外，优化确保热力发动机1可以高效运行。
[0147]
制造振动能量收集系统的方法
[0148]
制造能量收集系统29的方法包括根据图14所描绘的流程图并如上所述地提供热力发动机1、提供外部高温(th)热源8和提供能量转换装置30。
[0149]
作为附加或替代特征，制造能量收集系统29的方法可以可选地包括提供外部低温(t
l
)散热器或热源25。
[0150]
作为另外的附加或替代特征，制造能量收集系统29的方法可以可选地包括提供振动聚集装置31a、31b、31c、31d。振动聚集装置31a、31b、31c、31d被制造成使其针对特定的热力发动机1被优化。提供振动聚集装置31a、31b、31c、31d可以包括确定热力发动机1的特性，诸如热力发动机1的尺寸、流体流动构件(即杆10)的尺寸和最显著的杆10内引起的机械振动的频率特性。
[0151]
此外，提供振动聚集装置31a、31b、31c、31d可以可选地包括确定用于从热力发动机1收集机械振动能的振动聚集装置31a、31b、31c、31d的最佳参数。这包括确定振动聚集装置31a、31b、31c、31d的形状和尺寸，诸如距离α、β和γ。更具体地，优化可以包括确定聚集板33、34的长度γ的尺寸，以匹配热力发动机1的整个运行范围内的平均共振频率。
[0152]
此外，提供振动聚集装置可以可选地包括根据最佳参数提供振动聚集装置31a、31b、31c、31d。更具体地，振动聚集装置31a、31b、31c、31d的聚集板33、34通过将黄铜板水射流切割成所需尺寸并在聚集板33、34中引入适当的弯曲来提供。聚集板33、34被焊接到背板32。
[0153]
提供振动聚集装置可以可选地包括根据诸如以下因素：位于聚集板33、34的第二端部36处的能量转换装置的类型；振动聚集装置31a、31b、31c、31d所包括的聚集板33、34的数量；可用于容纳振动聚集装置31a、31b、31c、31d的空间；以及更普遍地运行限制和期望的性能特征、来进一步优化振动聚集装置31a、31b、31c、31d的参数。例如，第一聚集板33和第二聚集板34的第一部分37不限于在第一聚集板33和第二聚集板34的第二部分38之间的中间位置处会聚。也就是说，聚集板33、34的第一部分37可以相对于背板32不对称地成角度以装配在可用空间内和/或装配成用于实现振动聚集装置31a、31b、31c、31d的期望性能。
[0154]
如上所述，热力发动机1针对特定的外部高温(th)热源8被优化。因此，当制造能量收集系统29时，在没有首先制造和表征热力发动机1的情况下提供振动聚集装置31a、31b、31c、31d可能是次优的。然而，应当注意该方法可以是迭代的。例如，可以改变热力发动机1的参数以优化振动聚集装置31a、31b、31c、31d和能量收集系统29。
[0155]
替代的热力发动机和能量收集系统
[0156]
图15描绘了作为替代的能量收集系统29的一部分的替代的热力发动机1。图15中描绘的热力发动机1和能量收集系统29可以包括与图1至图14中任一个中所描绘的热力发动机1和能量收集系统29相同的优选和可选特征。
[0157]
代替采用杆10、板27和/或隔膜形式的至少一个流体流动构件9，图15的热力发动机1的至少一个流体流动构件9采用位于热力发动机1的内部容积5内并悬浮在第一液体3和/或第二液体4内的至少一个磁性球体23b的形式。磁性球体23b响应于由气泡20和第二液体4的相互作用产生的流体流动而围绕壳体2的内部容积5移动。外部高温(th)热源8的热能以磁性球体23b的运动的形式转换成机械能。在该实施例中，壳体2可以优选地包括诸如铝的非磁性材料。
[0158]
与热力发动机1一样，替代的能量收集系统29包括外部高温(th)热源8和能量转换装置30。代替压电晶体40，能量转换装置30采用缠绕在热力发动机1的壳体2周围的线圈50的形式。线圈50可以由铜组成，但是也可以采用其他替代的磁感应材料。本领域技术人员还将理解，线圈50的位置可以不同于图15中所示的位置。例如，线圈50或至少线圈50的一部分可以位于壳体2内。
[0159]
热力发动机1内的磁性球体23b的运动引起线圈50内的有用的电能。该能量收集系统29代替依靠机械振动而是依靠磁感应来收集源自外部高温(th)热源8的热能。
[0160]
作为附加或替代实施例，热力发动机1的至少一个流体流动构件9可以采用杆10和磁性球体23b两者的形式。由气泡20和第二液体4的相互作用产生的流体流动引起杆10内的机械振动和磁性球体23b的运动。相应地，能量收集系统29的能量转换装置30可以是压电晶体40和线圈50两者。压电晶体40将机械振动能转换成有用的电能，并且磁性球体23b的运动在线圈50内引起有用的电能。除了引起电能，磁性球体23b的运动也可以有利地与杆10碰撞，从而引起进一步的机械振动。
[0161]
热力发动机1有很多优点。热力发动机1不依靠于常规热力循环，而是通过利用第一液体3的相变产生流体流动以及随后与杆10的相互作用来提供将热量转换为功的替代机制。
[0162]
热力发动机1主要依靠温度变化以及热量的增加和去除而运行。压力和容积的变化，虽然可能由于与温度的内在关系而存在，但对于热力发动机1的运行来说并不是绝对必要的。也就是说，热力发动机1不依靠气体的膨胀来做功。如此，热力发动机1具有最少的移动部件，减少了可能需要的维护量并使设备的使用寿命最大化。另外，由于移动部件最少，热力发动机1相对安静。
[0163]
热力发动机1不限于特定类型的燃料，因此可以利用各种温度和功率范围内的外部高温(th)热源8。根据外部高温(th)热源8的来源，热力发动机1不会导致有毒和不环保的气体的释放。
[0164]
此外，热力发动机1是可扩展的，因为可以适应不同的温度和功率范围内的外部高
温(th)热源8。如此，热力发动机1的尺寸可以适应于期望的大小和由此产生的费用。热力发动机1是具有最少移动部件的密封装置，因此相对安全。
[0165]
热力发动机1是可定制的，因为杆10可以针对特定的外部高温(th)热源8被优化。
[0166]
公开了一种热力发动机。该热力发动机包括壳体、位于壳体内的第一液体和第二液体。第一液体比第二液体具有更高的密度和更低的沸点。热力发动机进一步包括将热量传递到第一液体以使第一液体蒸发以形成第一液体蒸气的热交换器。热力发动机还包括响应于由第一液体蒸气和第二液体的相互作用产生的流体流动而移动的至少一个流体流动构件。第一流体的液-气相变提供了将热量转换为功的具有许多优点的替代机制。热力发动机具有最少的移动零件、相对长的使用寿命、不需要特定的燃料、不直接释放有毒或不环保的气体、并且可以适应特定的废热源。
[0167]
在整个说明书中，除非上下文另有要求，否则术语“包括(comprise)”或“包含(include)”，或诸如“包括(comprises)”或“包括(comprising)”、“包含(includes)”或“(including)包含”的变体将被理解为暗示包含所陈述的整体或整体的组，但并不排除任何其他整体或整体的组。此外，除非上下文另有明确要求，否则术语“或”将被解释为包含性的而非排他性的。
[0168]
本发明的前述说明是出于说明和描述的目的而提出的，并非旨在是穷举性的或将本发明限制为所公开的精确形式。选择和描述所描述的实施例是为了最佳地解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够以各种实施例并且通过适合于预期的特定用途的各种修改来最佳地利用本发明。因此，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以结合进一步的修改或改进。