能量处理系统的制作方法

本发明涉及能量处理领域。更具体地，本发明涉及用于处理能量(诸如用于存储、转换或传输能量)的系统、方法和应用，由此能量处理在高效率和低损耗下执行。

背景技术：

1、在过去的几十年里，能源消耗以及以环保方式生产能源的需求一直在增加，除其他外，由于全球变暖，预计未来几年将进一步增加。因此，以高效和/或低成本进行能量处理至关重要。

2、能量处理可以包括以下多个动作中的一个或多个动作：诸如材料(诸如流体)的膨胀和/或压缩、在材料中引入相变、材料的存储、将能量从一种形式转换为另一种形式，诸如将热能转换为机械能或相反、传输能量，等等。

3、尽管在过去的几十年里已经探索了许多能量处理、存储和转换系统，但仍然需要高效的能量处理系统。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供用于处理能量(例如，存储、传输或转换能量)的良好的系统和方法。本发明的实施例的优点在于提供了用于处理能量的高效系统和方法。

2、以上目的由根据本发明的方法和设备来实现。

3、在一方面，本发明涉及一种用于转换、存储或传输能量的能量处理系统。该能量处理系统包括用于在第一物质和第二物质之间交换热量的热交换单元。该热交换单元包括第一内隔室和第二外隔室。第一内隔室和第二外隔室彼此相邻定位并由热交换表面隔开。热交换单元还包括球囊，该球囊被安装在第一内隔室中以便在该第一内隔室中在该球囊的外表面和热交换表面之间形成密封容体。该密封容体填充有第一物质并且球囊被配置成填充有球囊流体。第二外隔室填充有第二物质。

4、在热交换过程中，与第一物质和第二物质接触的热交换表面的面积基本保持不变。本发明的实施例的优点在于能量处理系统基于一个可被称为hbvi单元(液压球囊容器接口)的单元，该单元在热交换过程中提供基本不变的热交换表面积。该独特的特性导致以下事实：能量转换系统能够以高效率，即高产率执行。根据本发明的实施例的系统的优点例如是由于摩擦而导致的损耗极少或没有，因为hbvi单元基本上不会受到彼此接触的表面的影响。此外，由于没有摩擦，因此还可减少和/或避免球囊的磨损。第一内隔室也可被称为容器。在本发明的实施例中，热交换表面的表面积在热交换过程中基本不变，这意味着至少在系统中热交换时间的90％期间(例如在95％期间或在98％期间)，与第一物质和第二物质接触的热交换表面的表面积变化小于10％(例如变化小于5％，例如小于2％)。

5、根据本发明的一些实施例，该系统还可包括控制器，该控制器用于控制球囊中的球囊流体的体积或第二外隔室中的第二物质的体积中的一者，以便在热交换表面引发热交换。

6、该控制器可被编程为在热交换过程的至少50％期间，有利地在热交换过程的至少60％期间或至少75％期间或至少90％期间控制该热交换过程在基本等熵、等压、等温和/或多变条件下发生。本发明的至少一些实施例的优点在于可以完全控制热交换过程发生的条件，从而可以选择并完全控制基本等温过程、基本等熵过程、基本等压过程、多变过程或其组合。

7、该控制器可被编程为控制能量交换过程在基本相同的温度下发生。在一个具体示例中，例如可以获得球囊和容器之间的流体在基本恒定温度下的操作，这可以有利地导致特别有效的能量转换，例如热交换。

8、根据一些实施例，球囊可被固定在第一内隔室中的两个位置以形成密封容体，但在热交换过程中不进一步触碰到第一内隔室的壁。本发明的实施例的优点在于能量存储和/或能量转换能够在低损耗下被执行。该系统的优点例如是不基于移动活塞，因为后者会导致摩擦损耗并且没有恒定的能量交换表面积。

9、本发明的实施例的优点在于通过在如本文所述的压缩机应用中所示配置的容器单元中使用球囊，系统中的死空间量接近于零，从而导致高效的能量转换，其中该系统的近乎整个容体都用于能量转换。

10、球囊可以预先成形，使得当球囊被填充时，球囊的形状填充了第一内隔室的大部分容体，除了两个固定点外不接触第一内隔室。

11、球囊可以以预张紧的方式固定。本发明的实施例的优点在于通过以预张紧方式固定球囊，确保在球囊和容器之间不存在或存在较少接触，并且在用球囊流体填充球囊时亦如此，从而允许热交换表面的面积在热交换过程中保持基本恒定。

12、根据至少一些实施例，热交换过程可被控制为在1至700巴范围内(例如在200至700巴范围内、例如在200至400巴范围内)的压力下发生。本发明的实施例的优点在于可以选择其下控制热交换过程的压力，从而获得特别高效的系统。本发明的实施例的优点在于可以选择其下控制热交换过程的压力，以使得该系统能保持尺寸紧凑，这通常导致成本下降。

13、热交换过程可被控制为在球囊的1.5至2.5倍范围内，例如1.75至2.25倍范围内的最大体积交换下发生。球囊可以由允许向其体积的至少250％延伸而不破裂的材料制成，例如至少300％的体积，例如至少350％的体积，或者至少400％的体积。

14、第二外隔室可通过隔离管与外界隔离。隔离管可以是在第二外隔室周围提供附加腔体的隔离管，由此该附加腔体可以处于真空或例如填充有隔离流体。

15、为了具有更好的热处理，例如可以例如使用阿基米德螺旋在一个或多个隔室中组织湍流。后者导致热混合。

16、热交换表面可由抗压材料制成。热交换表面可以由任何类型的材料制成，诸如例如铝或钢等金属、碳基复合材料等复合材料，等等。材料的选择可取决于将进行加工的温度。本发明的实施例不限于所选择的材料，只要它们能够承受用于执行热交换过程的压力和温度。

17、球囊流体可以是油。第一物质在一些实施例中可以是液体，例如水。

18、第一物质在一些实施例中可以是超临界气体。

19、第二物质可以是液体。第二物质可以是冷液体或者可以是温液体。在一些实施例中，第二物质可以是气体。热交换单元可以是大致圆柱形的，并且第一内隔室和第二外隔室可被配置为基本同心的隔室。隔室可以是大致圆柱形的。替代地，隔室还可具有任何其他合适的形状，诸如例如液滴形。

20、该系统可包括用于控制球囊中的球囊流体的体积的泵送单元。

21、在一些实施例中，热交换单元可被配置为允许系统作为压缩机操作。

22、在一些实施例中，热交换单元可被配置为允许系统作为膨胀机操作。

23、根据本发明的实施例，在能量处理系统中，热交换单元可以是第一热交换单元，球囊可以是第一球囊并且球囊流体可以是第一球囊流体，并且能量处理系统还可包括至少第一辅助球囊流体储存器和至少第一液压泵送/电机单元，该第一液压泵送/电机单元用于选择性地控制第一球囊流体从第一球囊到第一辅助球囊流体储存器和/或从第一辅助球囊流体储存器到第一球囊的流动。控制器可被配置成通过以下操作来控制至少第一hbvi中的热力学过程：控制至少第一液压泵送/电机单元以便在至少第一热交换单元中引发不同的膨胀和/或压缩的循环，该系统由此提供膨胀和/或压缩的后续循环，以控制能量处理，诸如转换、存储或传输能量。

24、能量处理系统可进一步包括：

25、至少第二热交换单元，包括其中悬挂有第二球囊的第二容器，该第二球囊限定其中的第一子容体以及该第二容器中在第二球囊以外的隔室，

26、第二辅助球囊流体储存器，以及

27、第二液压泵送/电机单元，其用于选择性地控制第二辅助球囊流体去往和来自第二辅助球囊流体储存器的流动，并且

28、第一热交换单元和至少第二热交换单元可被配置成使得第一热交换单元在流体力学上连接到第二热交换单元并允许在第一液压泵送/电机单元和第二液压泵送/电机单元的控制下在其间的流体流动。

29、该系统可被配置成在第一热交换单元和第二热交换单元中同时引发针对提供流体连接的流体的不同热力学条件，被称为kilianic条件。

30、能量处理系统可包括另外多个热交换单元，它们选择性地链接到彼此，被配置和控制为引发能量处理系统的连续操作。

31、能量处理系统可被配置为以下各项中的一者或其组合：

32、压缩机，或

33、膨胀机，或

34、家用热泵，并且其中该控制器被配置成在0℃至85℃的温度范围内操作，或

35、工业用热泵，其中该控制器被配置成在40℃至200℃的温度范围内操作，或

36、热机，或

37、用于从流体中分离出流体组分的系统，或

38、液化系统，或

39、能量储备系统。

40、在本发明中，当提及热交换单元时，可以指代hbvi单元。

41、在一方面，本发明还涉及一种处理能量的方法，该方法包括使用如在第一方面中描述的能量处理系统来引发能量交换过程。

42、在一方面，本发明还涉及一种产生机械能的方法，该方法包括控制至少第一液压泵送/电机单元以用于操作如以上被描述为热机的系统。

43、在一方面，本发明还涉及一种产生热量的方法，该方法包括控制至少第一液压泵送/电机单元以用于操作如以上被描述为热泵的系统。该方法可包括将所产生的热量分配给多个不同房屋。

44、在又一方面，本发明涉及一种用于转换、存储或传输能量的能量处理系统，该能量处理系统包括：

45、至少第一hbvi单元，包括其中悬挂有球囊的容器，该球囊限定其中的第一子容体以及该容器中在该球囊以外的隔室，

46、至少第一辅助流体储存器，以及

47、至少第一液压泵送/电机单元，其用于选择性地控制第一辅助流体去往和/或来自第一辅助流体储存器的流动；

48、该能量处理系统还包括控制器，该控制器被配置成通过以下操作来控制至少第一hbvi中的热力学过程：控制至少第一液压泵送/电机单元以便在至少第一热交换单元中引发不同的膨胀和/或压缩的循环，该系统由此提供膨胀和/或压缩的后续循环，以控制能量处理，诸如转换、存储或传输能量。

49、本发明的实施例的优点在于可基于一个或多个hbvi单元来获得高效且经济的能量处理系统。

50、该控制器可被配置成控制至少第一液压泵送/电机单元以操作作为热泵的系统。本发明的实施例的优点在于可基于一个或多个hbvi单元来获得热泵，从而产生高效的热泵系统。

51、该控制器可被配置成控制至少第一液压泵送/电机单元以便至少部分地在等熵、多变或等温条件下执行所述转换、存储或传输。

52、根据一些实施例，能量处理系统还可包括：

53、至少第二hbvi单元，包括其中悬挂有球囊的容器，该球囊限定其中的第一子容体以及该容器中在该球囊以外的隔室，

54、第二辅助流体储存器，以及

55、第二液压泵送/电机单元，其用于选择性地控制第二辅助流体去往和来自第二辅助流体储存器的流动；并且

56、至少第一hbvi单元和至少第二hbvi单元可被进一步配置成使得第一hbvi单元的容器的隔室在流体力学上连接到第二hbvi单元的容器的隔室，并且允许第三流体在第一液压泵送/电机单元和第二液压泵送/电机单元的控制下在hbvi的隔室之间流动，

57、根据一些实施例，该控制器可被配置成控制控制第一液压泵送/电机单元和第二液压泵送/电机单元以至少部分地在kilianic条件下执行所述转换、存储或传输。kilianic条件或kilianic过程可被定义为一组条件或一个过程，其中步骤是在不同hbvi中的不同热力学条件下对存在于至少两个互连的hbvi单元之间的流体连接中的流体执行的。根据一些实施例，控制器可被配置成重复执行以下步骤-由此被称为kilianic过程：

58、-在第一hbvi单元的隔室中压缩第三流体以由此引发能量交换，诸如例如在第一hbvi单元的隔室中加热第三流体并将压力增至第一预定压力，

59、-通过驱动作为泵送单元的第一液压泵送/电机单元并驱动作为电机单元的第二液压泵送/电机单元来将第三流体从第一hbvi单元的隔室置换到第二hbvi单元的隔室，

60、-允许第三流体在第二hbvi单元的隔室中膨胀直到第三流体达到第二预定温度和第二预定压力，以及

61、-通过驱动作为泵送单元的第二液压泵送/电机单元并驱动作为电机单元的第一液压泵送/电机单元来将第三流体从第二hbvi单元的隔室置换到第一hbvi单元的隔室。

62、本发明的实施例的优点在于通过准确地控制第一和第二液压泵送/电机单元，在hbvi单元中发生的过程可被调整以获得hbvi单元的所选操作。

63、所述压缩可包括通过驱动作为泵送单元的第一液压泵送/电机单元并阻断第二液压泵送/电机单元，在第一hbvi单元的隔室中压缩第三流体以由此将第三流体加热至第一预定温度，以及

64、通过驱动作为泵送单元的第一液压泵送/电机单元并阻断第二液压泵送/电机单元，在第一hbvi单元的隔室中进一步压缩第三流体以由此在第一hbvi单元的隔室中将压力增至第一预定压力。

65、本发明的实施例的优点在于可以在系统中所使用的hbvi中维持特定温度和压力条件以引发高效的过程。

66、允许第三流体膨胀可包括通过驱动作为电机单元的第二液压泵送/电机单元并阻断第一液压泵送/电机单元，允许第三流体在第二hbvi单元的隔室中膨胀，

67、通过驱动作为电机单元的第二液压泵送/电机单元并阻断第一液压泵送/电机单元，允许第三流体在第二hbvi单元的隔室中进一步膨胀。

68、允许第三流体进一步膨胀可包括允许第三流体进一步等温膨胀。

69、能量处理系统可被配置为家用热泵并且其中控制器被配置成在下限和上限之间的温度范围内操作。下限例如可以介于-10℃和+10℃之间，例如介于-30℃和+20℃之间或甚至介于-30℃和+35℃之间。上限例如可以介于40℃至90℃之间，例如介于50℃至85℃之间。在此温度范围内操作意味着捕获热量的温度(源温度)和传递热量的温度两者都落在这个范围内。

70、能量处理系统可被配置为工业用热泵，其中控制器被配置成在40℃至250℃之间，例如40℃和200℃之间的温度范围内操作。

71、至少第一和第二液压泵送/电机单元可以是闭环液压系统。

72、热泵还可包括第三到第八hbvi，这些hbvi耦合到第一hbvi和第二hbvi并被控制为以延迟方式执行与第一和第二hbvi类似的动作，所得到的所产生的热量是基本连续的热流。控制器可被配置成控制第一液压泵送/电机单元和第二液压泵送/电机单元以操作作为热机的系统。

73、控制器可被配置成重复执行以下操作：

74、使用第二液压泵送/电机单元来在第二hbvi单元的隔室中压缩第三流体以由此在第二hbvi单元的隔室中将压力增至第一预定压力，

75、通过驱动作为泵送单元的第二液压泵送/电机单元并驱动作为电机单元的第一液压泵送/电机单元来将第三流体从第二hbvi单元的隔室置换到第一hbvi单元的隔室，

76、允许第三流体在第一hbvi单元的隔室中膨胀直到第三流体达到第二预定压力，

77、通过驱动作为泵送单元的第一液压泵送/电机单元并驱动作为电机单元的第二液压泵送/电机单元来将第三流体从第一hbvi单元的隔室置换到第二hbvi单元的隔室。

78、本发明的实施例的优点在于通过准确地控制第一和第二液压泵送/电机单元，在hbvi单元中发生的过程可被调整以获得hbvi单元的所选操作。

79、该系统可被配置成在第一热交换单元和第二热交换单元中同时引发针对该流体的不同热力学条件，被称为kilianic条件。

80、该过程的至少一部分可以在等熵、多变或等温或kilianic条件下执行。根据本发明的实施例，可以在系统中所使用的hbvi中维持特定温度和压力条件以引发高效的过程。

81、在一些实施例中，所述膨胀可以是等温膨胀。

82、能量处理系统可被配置为以下各项中的一者或其组合：

83、压缩机，或

84、膨胀机，或

85、家用热泵，并且其中该控制器被配置成在0℃至85℃的温度范围内操作，或

86、工业用热泵，其中该控制器被配置成在40℃至200℃的温度范围内操作，或

87、热机，或

88、用于从流体中分离出流体组分的系统，

89、液化系统，或

90、能量储备系统。

91、能量处理系统可包括另外多个热交换单元，它们选择性地彼此连接，被配置和控制为引发能量处理系统的连续操作。

92、在一方面，本发明还涉及使用如上所述的系统来产生的能量。能量可以是热量。能量可以是机械能或化学能中的任一者。

93、在另一方面，本发明还涉及一种产生机械能的方法，该方法包括控制至少第一液压泵送/电机单元以用于操作如以上被描述为热机的系统。

94、在又一方面，本发明还涉及一种产生热量的方法，该方法包括控制至少第一液压泵送/电机单元以用于操作如以上被描述为热泵的系统。

95、该方法可包括将所产生的热量分配给多个不同房屋。

96、尽管本领域中的设备在不断地改进、改变和发展，但是相信本发明概念代表了包括偏离先前实践的充分新颖且独创的进步，从而提供了更高效(包括更经济)、稳定和可靠的具有此性质的设备。

97、从下面结合附图的详细描述中，本发明的上述和其他特性、特征和优点将变得显而易见，附图通过示例的方式解说了本发明的原理。给出本描述仅仅是出于解说的目的，而并不限制本发明的范围。下文引用的参考图对附图进行参考。