阅读说明：本技术 一种气液两相转化高能量存储密度液压蓄能器 (Gas-liquid two-phase conversion high-energy storage density hydraulic accumulator ) 是由 周连佺 刘强 薄晓楠 张楚 瞿炜炜 王伟平 于 2019-11-07 设计创作，主要内容包括：一种气液两相转化高能量存储密度液压蓄能器,包括活塞杆、活塞、缸筒、温控装置。有杆腔用于容纳液压油,无杆腔用于容纳气体,位于有杆腔一端的缸桶壁上具有液压油口,液压油口连接外部液压系统,活塞杆和活塞的轴心为空心结构,伸出缸筒的活塞杆一端具有充气孔,温控装置安装在缸筒外围使缸筒内气体温度处于该气体临界温度以下。本发明的气液两相转化高能量存储密度液压蓄能器,使充入气体保持在略低于临界温度的状态,气体被加压到一定压力后液化,体积缩小,使缸筒可以容纳更多的液压油用于蓄能,提高了蓄能器的储能密度,减小了蓄能器的容积,节省了占用空间,对于节约移动液压设备有限的工作空间具有重要意义。(A gas-liquid two-phase conversion high-energy storage density hydraulic accumulator comprises a piston rod, a piston, a cylinder barrel and a temperature control device. The rod cavity is used for containing hydraulic oil, the rodless cavity is used for containing gas, a hydraulic oil port is formed in the wall of the cylinder barrel at one end of the rod cavity and connected with an external hydraulic system, the axis of the piston rod and the axis of the piston are of a hollow structure, an inflation hole is formed in one end of the piston rod extending out of the cylinder barrel, and the temperature control device is installed on the periphery of the cylinder barrel to enable the temperature of the gas in the cylinder barrel to be below the critical temperature of the gas. The gas-liquid two-phase conversion high-energy storage density hydraulic accumulator disclosed by the invention has the advantages that the charged gas is kept in a state slightly lower than the critical temperature, the gas is liquefied after being pressurized to a certain pressure, the volume is reduced, more hydraulic oil can be contained in a cylinder barrel for energy storage, the energy storage density of the accumulator is improved, the volume of the accumulator is reduced, the occupied space is saved, and the high-energy storage density hydraulic accumulator has important significance for saving the limited working space of mobile hydraulic equipment.)

一种气液两相转化高能量存储密度液压蓄能器

技术领域

本发明液压传动与控制领域，特别是液压蓄能领域，具体涉及一种气液两相转化高能量存储密度液压蓄能器。

背景技术

液压蓄能器是液压气动系统中的一种能量储蓄装置。它在适当的时机将系统中的能量转变为压缩能或位能储存起来，当系统需要时，又将压缩能或位能转变为液压或气压等能而释放出来，重新补供给系统。当系统瞬间压力增大时，它可以吸收这部分的能量，以保证整个系统压力正常。

蓄能器按加载方式可分为重锤式、弹簧式和气体加载式，现在使用最多的是气体加载式。气体加载式蓄能器又分为气囊式、气瓶式和活塞式。活塞式蓄能器油气隔离，工作可靠、寿命长，适合用于高压和大容量储能。

现在的活塞式蓄能器油液压力与气体压力相等，体积和重量大，成本也很高，随着存入的油液体积的增加，压力也在增加，存储油液的压力变化大，释放油液时压力变化也大。现在的活塞式蓄能器使用活塞将存储能量的油液与压缩气体隔离，气体为氮气，只能压缩减小体积，不能液化。例如，如果要求储能油液体积30L，压力变化范围15-20MPa，经计算需要蓄能器体积为190L，外形体积为250L。如果移动式设备使用活塞式蓄能器储能，这么大的体积占用移动设备很大的空间，还影响视线，成本也很高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气液两相转化高能量存储密度液压蓄能器，在满足一定储能容积和压力的条件下，通过提高蓄能器的储能密度，缩减所配蓄能器的容积，节省占用的工作空间。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案具体如下：

一种气液两相转化高能量存储密度液压蓄能器，包括活塞杆、活塞、缸筒、温控装置。活塞装在缸筒内，活塞杆的一端和活塞固定在一起，活塞杆的另一端伸出缸筒，有杆腔用于容纳液压油，无杆腔用于容纳气体，位于有杆腔一端的缸桶壁上具有液压油口，液压油口用于连接有杆腔与缸筒外部的液压系统，活塞杆和活塞的轴心为空心结构，伸出缸筒的活塞杆一端具有充气孔，充气孔通过空心结构与无杆腔相通。温控装置安装在缸筒***，用于调控缸筒内气体的温度，使缸筒内气体温度处于该气体临界温度以下。储能时，缸筒外部的液压油通过液压油口进入有杆腔，液压油对活塞的作用力大于活塞腔中气体对活塞的作用力时，活塞压缩无杆腔中的气体；能量释放时，外部油路压力降低，无杆腔中的气体对活塞的作用力大于液压油对活塞的作用力，活塞压迫液压油，活塞杆腔中的液压油从液压油口排出，供给外部液压系统使用。

进一步的，所述温控装置为恒温装置，所述恒温装置用于使缸筒内气体温度保持在设定温度，该设定温度低于气体临界温度1～2℃，气体温度只有低于临界温度气体压力升高才能液化。

进一步的，所述恒温装置为热交换器，当缸筒内气体温度高于设定温度时，向热交换器通入冷水对缸筒内的气体进行散热；当缸筒内气体温度低于设定温度时，向热交换器通入热水对缸筒内的气体进行加热；当缸筒内气体温度等于的设定温度时，关闭热交换器。

进一步的，所述恒温装置包括加热装置和冷却装置，加热装置为热交换器，冷却装置包括翅片式冷却器和冷却风扇，当缸筒内气体温度高于设定温度时，开启冷却风扇吹翅片式冷却器对缸筒内的气体进行散热；当缸筒内气体温度低于设定温度时，向热交换器通入热水对缸筒内的气体进行加热；当缸筒内气体温度等于设定温度时，关闭加热装置和冷却装置。

进一步的，所述气体为CO₂，或其它在工作温度下加压可液化减压可汽化的气体。

进一步的，所述CO₂的温度为29～31℃。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

现在的活塞式蓄能器油液压力与气体压力相等，体积和重量大，成本也很高，随着存入的油液体积的增加，压力也在增加，存储油液的压力变化大，释放油液时压力变化也大。本发明的一种气液两相转化高能量存储密度液压蓄能器，使充入气体保持在略低于临界温度的状态，气体被加压到一定压力后液化，变为液态，减小了体积，使缸筒可以容纳更多的液压油用于蓄能，在满足要求的储能容积和压力的条件下，提高了蓄能器的储能密度，减小了蓄能器的容积，节省了占用空间，减少了蓄能器的成本，尤其对于节约移动液压设备有限的工作空间具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例1中的一种气液两相转化高能量存储密度液压蓄能器的结构示意图；

图1中：1、活塞杆；2、活塞；3、缸筒；4、热交换器；5、冷却风扇；6、翅片式冷却器；A、液压油口；B、充气孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做详细的阐述。

实施例1

如图1所示，一种气液两相转化高能量存储密度液压蓄能器，包括活塞杆1、活塞2、缸筒3和恒温装置。活塞2装在缸筒3内，活塞杆1的一端和活塞2固定在一起，活塞杆1的另一端伸出缸筒3，有杆腔用于容纳液压油，无杆腔用于容纳气体，位于有杆腔一端的缸桶壁上具有液压油口A，液压油口A用于连接有杆腔与缸筒外部的液压系统，活塞杆1和活塞2的轴心为空心结构，伸出缸筒3的活塞杆1一端具有充气孔B，充气孔B通过空心结构与无杆腔相通，恒温装置位于缸筒3***，恒温装置用于使缸筒内气体温度保持在设定温度，该设定温度低于气体临界温度1～2℃，气体温度只有低于临界温度气体压力升高才能液化。

恒温装置可以为单独为热交换器4，当缸筒3内气体温度高于设定温度时，向热交换器通入冷水对缸筒3内的气体进行散热；当缸筒3内气体温度低于设定温度时，向热交换器通入热水对缸筒3内的气体进行加热；当缸筒3内气体温度等于设定温度时，关闭热交换器。

此外，恒温装置也可以由加热装置和冷却装置组成，比如，加热装置为热交换器4，冷却装置包括翅片式冷却器6和冷却风扇5，当缸筒3内气体温度高于设定温度时，开启冷却风扇5吹翅片式冷却器对缸筒内的气体进行散热，翅片式冷却器6可增加冷却风扇5的散热效果；当缸筒3内气体温度低于设定温度时，向热交换器4通入热水对缸筒3内的气体进行加热；当缸筒3内气体温度等于设定温度时，则关闭加热装置和冷却装置。

对稳态时活塞杆1和活塞2受力分析，得

式中:

D1—活塞2的直径(mm)；

D2—活塞杆1的直径(mm)；

p1—设定温度下气体的液化压力(MPa)；

p2—要储存的液压油压力(MPa)。

这种结构，液压油对活塞的作用面积小于气体对活塞的作用面积，存储的液压油压力高压气体的临界压力，液压储能密度更大。根据要存储的液压油压力和气体临界压力及被选的活塞2的直径计算得到活塞杆1的直径。

使用前要从充气孔B充入气体，充气压力低于设定温度下气体的液化压力。

液能存储过程如下：

外部过来的液压油通过液压油口A进入有杆腔，液压油对活塞2向下的作用力大于无杆腔中气体对活塞2向上的作用力时，活塞2向下运动，无杆腔中的气体受压缩，压力升高。当气体压力升高到设定温度下气体的液化压力时，气体开始液化，但压力基本不变，气体转化的液体流入缸筒3底部或附着在缸筒3的内壁上。继续从液压油口A进入液压油，有杆腔中的液压力也基本不变。如果继续充油，无杆腔中的气体能全部转化为液体，有杆腔的容积就是能储存液压油的最大体积。

液能释放过程如下：

当外部油路压力降低时，无杆腔中的气体对活塞2的向上作用力大于液压油对活塞2向下的作用力，活塞2压迫液压油，有杆腔中的液压油从液压油口A排出，供给外部液压系统使用。随着无杆腔中的气体压力降低，当压力低于液体的汽化压力时，无杆腔中的液体开始汽化，部分液体转化为气体，维持无杆腔中的气体压力基本不变，从液压油口A排出的油液压力基本恒定。当无杆腔中的液体全部汽化为气体时，从液压油口A排出的油液体积就是最大可用油液体积。

在液能存储和液能释放过程中，无杆腔中气体处于气液两相过渡状态。由于气体的温度高于其临界温度时，压力再大也不会液化。所以，活塞腔中气体的温度最好稍低于气体的临界温度，且气体温度变化不大，这种工况下液压油存储的压力最大，同样的存储体积，储存的液压能最大，存储和释放过程中的液压油压力也基本不变。

实施例2

本实施例选用二氧化碳(CO₂)作为储能气体，其临界温度为31.2℃左右，临界压力为7.38MPa。温度为29℃时，液化压力为7.05MPa；温度为30℃时，液化压力为7.21MPa。在工作过程中要求把气体的温度控制在29～31℃之间。

假如选D1＝300mm，取气体压力p1＝7MPa，液压油压力p2＝20MPa，由公式1计算得到D2＝160mm。

经计算，需要活塞腔最大长度870mm，气体全部液化后的体积为11L，此时蓄能器的总体积为82L，当没有液压油时活塞杆全部伸出时总体积123L。

这种气液两相转化蓄能器的体积只有现在活塞式蓄能器的一半，存储的能量比活塞式蓄能器还多，压力变化小。大大减小了蓄能器体积，也减少了蓄能器的成本，特别对节约移动液压设备有限的工作空间意义重大。

只要是气液两相转化的方案，不管选用的是单一气体还是混合气体，也不管采用的何种温度调节装置，也不管采用的何种温度调节装置，都在本专利的保护范围内。