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周围环境温度热能和恒压低温发动机

阅读:818发布:2021-01-28

专利汇可以提供周围环境温度热能和恒压低温发动机专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且具有恒压采用恒压下连续“冷”燃烧并具有主动室的周围环境 温度 热能 和恒压低温 发动机 采用 低温 流体 (A2)运转,该低温流体以液相存储,以气相作为工作气体,并返回到液相在封闭的循环中运转。初始为液体的低温流体在极低温度下以气相 蒸发 ,并供应气体压缩装置(B)的进气口(A4),然后排放仍然处于低温下的压缩工作气体,穿过具有周围 环境温度 的 热交换器 (C),进入与加热装置固定或不固定的工作罐或外部膨胀室(19),其温度和体积将相助增大,以接下来优选的进入释放装置(D)中做功,该释放装置(D)优选的包括根据国际 专利 申请 WO 2005/049968的主动室。应用与陆地车辆、机动车、公共 汽车 、摩托车、 船舶 、 飞行器 、备用发 电机 、联合 发电机组 、固定式发动机。,下面是周围环境温度热能和恒压低温发动机专利的具体信息内容。

1、一种发动机,其使用主动室体积释放装置和一体的或非一体的 压缩装置,该主动室体积释放装置由充满时能使其做功的可变体积装 置构成,该可变体积装置通过通道与位于主驱动活塞之上的空间连接 并永久接触,其特征在于:
-工作气体是在封闭循环中使用的以液相存储的低温流体(A2), 其以气相工作,并以液相返回到存储器(A,A1)中,
-工作气体初始为液体,在极低的温度下,大体在其蒸发温度下 以气相蒸发,供应气体压缩体积装置(B)的进气口(A4),该工作气 体在该气体压缩体积装置(B)中被压缩到其工作压
-该压缩后的工作气体在压缩机(B)的出气口处仍然处于极低温 度下,在其工作压力下释放到膨胀罐(19)中,通过与大气的热交换 而大体上到达周围环境温度,使得在热能从周围环境温度传递的影响 下,其温度显著上升,其体积根据恒压关系:V1/V2=T1/T2以相同的 比例上升,
-然后,仍然压缩到其工作压力并仍然大体上处于周围环境温度 下的所述工作气体进入做功的体积释放装置(D)中,该做功的体积 释放装置(D)包括主动膨胀和释放室,
-在释放后从所述做功的体积释放装置(D)中再次以极低温度 排放(23)的工作气体向低温流体(A2)的存储罐(A,A1)中排放, 其在该存储罐中液化,以重新开始新的循环,这样构成周围环境温度 热能和恒压低温发动机。
2、根据权利要求1所述的周围环境温度热能和恒压低温发动机, 其特征在于,其热力循环包括以下七个阶段:
-低温流体的蒸发
-在极低温度下压缩该流体
-在恒压下借助周围环境温度进行再加热
-准等温传递做功
-多变释放做功,温度下降
-封闭的循环排放到存储器中
-返回到存储器中的气体的液化。
3、根据权利要求2所述的周围环境温度热能和恒压低温发动机, 其特征在于,存储器中液相的流体的蒸发是通过使用工作流体/工作流 体交换器(A3)的加热而获得的,然后流体在交换器(A3)中为半气 相,并从体积释放装置(D)的排气口(23)返回,在足够的温度下 以进行这些过程,加热和蒸发存储器(A,A1)中液相的低温流体(A2) 的一部分,同时冷却和液化。
4、根据权利要求所3述的周围环境温度热能和恒压低温发动机, 其特征在于,低温流体液化蒸发热交换器由浸入到罐中的盘管(A3) 构成,在所述盘管中,来自于发动机的排气口的流体将会终止其冷却 和液化,同时释放出蒸发存储器(A,A1)中液相的流体所需的热。
5、根据权利要求所3述的周围环境温度热能和恒压低温发动机, 其特征在于,在体积释放装置(D)的排气口(23)和流体存储器(A, A1)之间设有低温机器(E),以使其能调节在排气口(23)释放、然 后为气相或半气相的工作气体在进入到存储器(A,A1)的热交换器 (A3)中以在其中液化之前的温度;然后,在释放装置的排气口(23) 处的为气相或半气相的流体在其通过位于低温机器(E)的冷室中的 热交换器(E1)的过程中被冷却。
6、根据权利要求所5述的周围环境温度热能和恒压低温发动机, 其特征在于,该低温机器(E)是通过使用磁热效应操作的,该磁热 效应利用了某种材料的特性,在磁场作用下加热,而在磁场消失之后 或该磁场发生变化之后冷却至低于其初始温度。
7、根据权利要求所6述的周围环境温度热能和恒压低温发动机, 其特征在于,其热力循环包括八个阶段:
-低温流体的蒸发
-在极低温度下压缩该流体
-在恒压下借助周围环境温度对该流体进行再加热
-准等温传递做功
-多变释放做功,温度下降
-封闭的循环排放到存储器中
-在低温机器中进行冷却
-返回到存储器中的气体的液化。
8、根据上述权利要求中任一个所述的周围环境温度热能和恒压低 温发动机,其特征在于,恒压膨胀罐(19)由大容积工作压力存储器 构成,工作气体容纳在该大容积工作压力存储器中,根据:其包围有 大气的热交换表面积、其体积和在所述存储器中的存储时间,而保持 在周围环境温度下;通过与在周围环境温度下已经容纳在所述压力存 储器中的工作气体混合,来自压缩机的压缩后的工作气体实质上自然 地达到周围环境温度。
9、根据权利要求所6述的周围环境温度热能和恒压低温发动机, 其特征在于,所述压力存储器(19)的外壳包括外部和/或内部热交换 装置,比如促进大气和容纳在存储器中的工作气体之间的热交换的翅 片。
10、根据权利要求所7述的周围环境温度热能和恒压低温发动机, 其特征在于,在压缩机(B)与恒压膨胀罐(19)和/或工作压力膨胀 存储器之间以及/或者在所述存储器(19)和做功的体积释放装置(D) 之间安装有至少一个大气/工作气体交换器(C)。
11、根据上述权利要求中任一个所述的周围环境温度热能和恒压 低温发动机,其特征在于,工作气体加热装置定位成使得在工作气体 进入到发动机中之前能够获得高于周围环境温度的温度,然后通过热 交换器在外-外型燃烧室中实现温度增大,以不通过燃烧弄脏在其气相 中的低温流体。
12、根据权利要求所8述的周围环境温度热能和恒压低温发动机, 其特征在于,其热力循环包括以下九个阶段:
-低温流体的蒸发
-在极低温度下压缩该流体
-在恒压下借助周围环境温度对该流体进行再加热
-再加热,温度上升至高于周围环境温度
-准等温传递做功
-多变释放做功,温度下降
-封闭的循环排放到存储器中
-在低温机器中进行冷却
-返回到存储罐中的气体的液化。
13、一种发动机,其特征在于:
-其包括一装置和主动室,所述装置用于控制活塞的行程,使活 塞停止于其上止点一段时间,
-在驱动活塞(1)停止于其上止点期间,当主动膨胀和释放室处 于其最小容积状态时,增压的气体进入到主动膨胀和释放室(12,13) 中——其由可变容积装置构成,使其能够做功,该装置通过通道(12) 与位于主驱动活塞(1)上方的空间连接并永久接触——并且在工作气 体的推进下,其容积增大而做功;
-当主动膨胀和释放室(12,13)大体上处于最大容积时,进气 口(17)关闭,容纳在所述室(12,13)中仍然压缩处于压力之下的 工作气体在发动机气缸(2)中膨胀,从而在其下行程中向后推动驱动 活塞(1)同时做功,从而经历主要的温度降低,
-在驱动活塞(1)在排气冲程的上行程期间,主动膨胀和释放室 (12,13)的可变容积回复到其最小容积,以重新开始完整的工作循 环。
14、一种发动机,其特征在于:
-工作气体是在封闭循环中使用的以液相存储的低温流体(A2), 以气相工作,并以液相返回到存储器(A,A1)中,
-工作气体初始为液体,在极低的温度下以气相蒸发,供应气体 压缩装置的进气口,然后该气体压缩装置排出该气体,压缩到其工作 压力并仍处于低温,穿过大气/工作气体交换器,以及/或者直接进入 恒压膨胀罐(19)中,该恒压膨胀罐包括或不包括加热装置,在该恒 压膨胀罐中工作气体的温度显著上升,其体积根据恒压关系: V1/V2=T1/T2以相同的比例上升,
-然后,仍然压缩到其工作压力的所述工作气体进入做功的体积 释放装置中,该做功的体积释放装置用在具有传统曲柄连接杆装置的 传统发动机中,或者用在旋转活塞发动机或其它释放做功的内燃装置 中,
-在释放后工作气体在所述做功的体积释放装置的排气口(23) 处再次以极低温度通过低温机器(E)排放到低温流体的存储器(A, A1)中,该低温机器(E)位于排气口和流体罐(A1)之间,以使其 能够调节在排气口(23)处释放的然后为气相或半气相的工作气体在 进入到存储器(A,A1)的热交换器(A3)中以在其中液化之前的温 度;在释放装置排气口(23)处的为气相或半气相的流体在其通过位 于低温机器(E)的冷室中的热交换器(E1)的过程中被冷却,并被 液化以重新开始新的循环。
15、根据上述权利要求中任一个所述的周围环境温度热能和恒压 低温发动机,其特征在于,在做功的体积释放装置(D)的进气管道 (17)上设有一加速器蝶形(17A),以使其能通过让更多或更少的 工作气体进入主动室(12、13)和/或其气缸(2)来控制发动机。
16、根据上述权利要求中任一个所述的周围环境温度热能和恒压 低温发动机,其特征在于,在极低温度压缩机(B)的进气口上设有 一加速器蝶形阀(A7),并且优选的通过电子装置控制,以使其能调 节压缩机(B)的进气、速率,同时使恒压膨胀罐(19)中保持所需 的压力,该压力根据体积释放装置(D)得到的气体的量而趋于下降。

说明书全文

技术领域

发明涉及发动机

更特别的,本发明涉及尤其是用低温流体进行运转的发动机,其 使用用于控制活塞行程的装置,以具有使活塞停止在其上止点一段时 间并且使发动机旋转的效果,该发动机还使用做功的可变体积主动室 (active chamber)、一体的(或单独的)压缩装置以及用于回收周围 环境温度热能的装置。

背景技术

发明人已经提交了许多涉及驱动器及其装置的专利和专利申请, 使用气体特别是压缩空气,用于在城市和郊区中的完全清洁地运转:
WO 96/27737-WO 97/00655-WO 97/39232-WO 97/48884-
WO 98/12062-WO 98/15440-WO 98/32963-WO 99/37885-
WO 01/69080-WO 03/036088
为了实施这些发明,在内容可供参考的专利申请WO 99/63206中 也已经说明了一种方法和装置,用于控制发动机活塞的行程,使其可 将活塞停止在其上止点;在发明人的专利申请WO 99/20881可供参考 的内容中还涉及这些具有单能量或双能量、双重供应模式或三重供应 模式的发动机的运转。
在专利申请WO 99/37885中提出了一种解决方案,使其能够增加 可以使用和获得的能量的数量,其特征在于,在压缩空气直接从存储 器中出来插入到燃烧室或膨胀室中之前,或者在压缩空气已经进入周 围环境温度热能回收装置的热交换器之后插入到燃烧室中之前,该压 缩空气导入到热再热器中,其中,在插入到发动机的燃烧室和/或膨 胀室中之前,通过其温度的增加,该压缩空气在压力和/或体积将会再 次增大,从而再次显著的增加所述发动机可获得的性能。
尽管使用的是化石燃料,使用热力再热器仍然具有的优点在于, 能够使用清洁的、连续的燃烧,可借助所有公知方式进行催化和消除 污染,以获得污染极小的排放。
发明人已经提交了一份内容可供参考的专利申请WO 03/036088, 其涉及一种运转于单能量或多能量的附加压缩空气喷射电动压缩机- 电动交流发电机组。
在这类采用气体特别是压缩空气进行运转并包括有高压压缩空气 存储器的发动机中,需要释放容纳在高压存储器中的压缩空气,但是 当存储器排空的时候,在用在发动机气缸中之前,其压力减小到在缓 冲罐中使用的稳定的中间压力,称之为最终压力。公知的具有弹簧的传统减压器通过量(throughput)极低,其用于这种应用需要 很重而不是很有效的设备,其还对于由于冷空气在释放其间的湿气而 导致的结很敏感。
为了解决这个问题,发明人还提交了一份专利申请 WO03/089764,其涉及一种可变比例的动压力减压器,用于压缩空气 喷射式发动机,包括高压的压缩空气存储器和工作罐。
在这些减压装置中,室的填充总是表示压力的释放,这对机器通 常的输出是有害的。
为了解决后一个问题,发明人还提交了一份专利申请 WO2005/049968,其涉及一种主动室发动机,其使用使活塞停止在上 止点的装置。优选的通过称为工作罐的缓冲罐供应容纳在高压存储器 中的压缩空气或任何其它的压缩气体。为双能量形式的工作罐包括用 于借助附加能量(化石的或其它的能量)再加热供应的空气的装置, 使其可增加穿过该工作罐的空气的温度和体积。从而该工作罐为外部 燃烧室。
在这种类型的发动机中,发动机内的膨胀室由体积可变而使其可 做功的装置构成,并且通过固定通道(permanent passage)与位于主 驱动活塞之上的空间连接并接触。在驱动活塞在其上止点停止期间, 当主动膨胀室体积最小的时候,增压的空气或气体进入主动膨胀室中, 并在推进中体积增大而做功;当主动室的体积大体为最大的时候,然 后关闭进口,容纳在主动膨胀室中仍处于压力之下的压缩空气在发动 机气缸中膨胀,从而在驱动活塞的下行程中推动驱动活塞,并在驱动 活塞返回时做功;在排气冲程期间的驱动活塞上行程中,可变体积的 膨胀室回复到其最小体积,以重新开始完整的工作周期。
因此,在压缩空气单能量模式中,主动室发动机的热力循环包括 四个阶段:
-等温膨胀,不做功
-传递——稍微膨胀做功,称为准等温
-多变(polytropic)释放做功
-在准周围环境压力下进行排放
在其双能量应用和附加燃料模式中,空气压缩机供应高压存储器 或工作罐(燃烧室),或者是两者体积的结合。
主动室发动机还可以产生于采用化石燃料的单能量模式中。在上 述的形式中,仅仅简单的移走高压压缩空气存储器,空气压缩机直接 供应工作罐,该工作罐包括由化石燃料或其它燃料供应的空气再热装 置。
主动室发动机为具有外燃烧室的发动机,然而,再热器中的燃烧 可以是内部的,通过直接将火焰带到与工作压缩空气接触而称为“外- 内”,或者也可以是外部的,通过加热交换器再加热工作空气而称为“外 -外”。
这种类型的发动机燃烧时恒压和可变体积依据关系式: PV1=nRT1和PV2=nRT2
其中对于常数P,V1/V2=T1/T2
恒压时的温度增大具有的效果是以相同的比例增大压缩空气的体 积,体积增大N倍需要相同的温度增大N倍。
在双能量模式中,采用附加能量自动运转,当压缩空气进入高压 存储器中的时候,热力循环包括七个阶段:
-吸气
-压缩
-在工作罐中等温膨胀
-温度增大
-传递——稍微膨胀做功,称为准等温
-多变释放做功
-在准周围环境压力下进行排放
当压缩空气直接进入工作罐或燃烧室中的时候,热力循环包括六 个阶段并变成为:
-吸气
-压缩
-温度增大
-传递——稍微膨胀做功,称为准等温
-多变释放做功
-在准周围环境压力下进行排放
在这种采用双能量应用的发动机中,进入工作罐或燃烧室的压缩 空气的温度等于或大于周围环境温度,如果压缩空气来自于高压存储 器,那么其温度大体等于周围环境温度,而如果压缩空气直接来自于 压缩机,那么其温度则大于周围环境温度,在接下来的循环阶段中, 通过压力的增大来获得体积的增大。
直接来自于压缩机的空气的温度可达到比如周围环境温度以上 400℃(673开氏度)的数量级的值。
为了完善这个想法,作为非限制性实例,为了供应30巴压力下的 30cm3的主动室,从存储器中取出30巴压力、周围环境温度为293K (20℃)的5cm3的压缩空气装入量,以插入到工作室和恒压再加热室 中,其中,为了获得所需的30cm3,需要完成燃烧,将温度提高到六 倍于初始值,也就是1758K或1485℃。
如果5cm3的装入量是直接来自于压缩机,那么其温度大体为 693°K(420℃),为获得同样的结果,装入量的温度必须提高到六倍 于693K,也就是2158°K或1885℃。
在外燃烧室中使用高温会在材料、冷却和污染物(特别是形成于 1000℃以上的NOx(氮化物))排放方面产生许多压力。
为了解决后一问题,发明人还提交了一份申请号为0506437 (FR-A-2.887.591)的法国专利申请,其涉及低温电动压缩机组,采 用恒压下的连续“冷”燃烧,并具有试图解决这些压力的主动室,通过 对于相同的性能允许更冷的燃烧,荒谬地提供机器输出的显著增大。
采用恒压下连续“冷”燃烧并具有主动室的低温电动压缩机组包括 冷室,使其可将供应压缩空气装置进口的大气的温度降低到较低或极 低的温度,然后将仍处于低温状态的该压缩工作空气释放到装备有空 气再加热装置的外工作罐或燃烧室中,根据专利申请 WO2005/049968,该压缩工作空气的体积显著增大,以接下来优选的 进入主动室中,在活塞停止于其上止点期间,当主动膨胀室的体积最 小时,增压空气或气体进入主动膨胀室中,并且在推进作用下,该增 压空气或气体的体积增大而做功;当主动室的体积大体为最大的时候, 然后关闭进口,容纳在主动膨胀室中仍然处于增压状态的压缩空气在 发动机气缸中膨胀,从而在驱动活塞的下行程中推动驱动活塞,并在 驱动活塞返回时做功;在排气冲程期间的驱动活塞上行程中,可变体 积的膨胀室回复到其最小体积,以重新开始完整的工作周期。
根据申请号为FR 0506437的法国专利申请的、采用恒压下连续 “冷”燃烧并具有主动室的低温电动压缩机组的热力循环包括七个阶 段:
-大气温度显著下降
-吸气
-压缩
-温度增大(等体积燃烧)
-准等温传递
-多变释放
-在准大气压力下排放到大气中

发明内容

在利用根据本发明的热力循环的低温电动压缩机组中,压缩机中 进入的空气在使用吸收热的流体用以蒸发的冷却(或低温)机的冷室 中被极度冷却,初始为气体状态的冷却或低温流体由于低温压缩机而 被压缩,并排放到盘管中进行液化,这个液化现象释放热,然后流体 插入到位于冷室中的蒸发器中进行蒸发(吸热现象)。从而产生的蒸汽 返回到压缩机中,可以从新开始循环。然后容纳在冷室中的工作空气 被显著冷却并收缩,然后通过空气压缩机在低温下再次压缩,并被吸 收到燃烧室中,在那里其被再次加热,体积显著增大,然后其被准等 温的传递到主动室中做功,然后其在发动机气缸中多变的释放并做功。
为确定想法,如果5cm3的压缩空气装入量通过空气压缩机在30 巴压力下和90K温度下直接进入到工作和燃烧室中,以使其能够在30 巴下供应30cm3的主动室,那么需要产生燃烧,使得温度达到初始值 的六倍,也就是540K或267℃。
根据本发明的变化,压缩及出口处的压缩后的工作空气仍旧处于 低温下,在其引入到燃烧室之前穿过空气/空气交换器,从而在其插入 到燃烧室之前实质上返回到周围环境温度,而体积显著增大。从而显 著减小所需的热能供应。
为确定想法,作为比较例子,如果来自于空气压缩机的温度为90K 的5cm3压缩空气装入量穿过空气/空气交换器,注意其温度实质上达 到周围环境温度或270K,然后插入到工作和再热室中的体积为 15cm3,并且仍然在30巴压力下供应主动室,然后需要实现燃烧,其 仅仅将温度升到其值的两倍(或540K),从而显著的节省燃油提供的 能量。
这些前述的发明和本文的说明在普通命名(denomination)下表 示空气温度值——“极低温度”,“低温”,“周围环境”或“周围环境温度” 以及“冷燃烧”。运转温度实际上是彼此相对的,然而,为了清楚起见, 在非限制性方式中,作者使用术语“极低温度”表示小于90K的值,术 语“低温”表示小于200K的值,术语“周围环境”表示273K到293K之 间的值——至于术语“冷燃烧”——其是与现有的发动机燃烧温度大于 2000K相比较——其值在400K到1000K之间。
根据法国专利申请FR0506437,在这种类型的低温电动压缩机组 中,在恒压下持续进行“冷”燃烧并具有主动室,用于冷却“冷室”的低 温机器设计成将空气或工作气体的温度从大约290K的周围环境温度 降低到尽可能的最低温度。然而,这个压缩机组的效率仍受限于所使 用的工作气体的温度,该温度不能低于液化所述工作气体的温度。
就像根据上述法国专利申请FR0506437的主动室发动机和冷燃 烧电动压缩机组一样,根据本发明的周围环境温度热能和恒压低温发 动机使用压缩的工作气体并优选的但不是仅仅的使用主动室释放体积 装置。
根据本发明,提供:
一种发动机,使用主动室体积释放装置和一体的或非一体的压缩 装置,该主动室体积释放装置由充满时能使其做功的可变体积装置构 成,该可变体积装置通过通道与位于主驱动活塞之上的空间连接并永 久接触,其特征在于:
-工作气体为在封闭循环中使用的以液相存储的低温流体,其以 气相工作,并以液相返回到存储器中,
-工作气体初始为液体,在极低的温度下,大体在其蒸发温度下 以气相蒸发,供应气体压缩体积装置的进气口,该工作气体在该气体 压缩体积装置中被压缩到其工作压力,
-该压缩后的工作气体在压缩机的出气口处仍然处于极低温度 下,在其工作压力下释放到膨胀罐中,通过与大气的热交换而大体上 到达周围环境温度,使得在热能从周围环境温度传递的影响下,其温 度显著上升,其体积根据恒压关系:V1/V2=T1/T2以相同的比例上升,
-然后,仍然压缩到其工作压力并仍然大体上处于周围环境温度 下的所述工作气体进入做功的体积释放装置中,该做功的体积释放装 置包括主动膨胀和释放室,
-在释放后从所述做功的体积释放装置中再次以极低温度排放的 工作气体向低温流体的存储罐中排放,其在该存储罐中液化,以重新 开始新的循环,这样构成周围环境温度热能和恒压低温发动机
根据发动机的其它特征:
*其热力循环包括以下七个阶段:
-低温流体的蒸发
-在极低温度下压缩该流体
-在恒压下借助周围环境温度进行再加热
-准等温传递做功
-多变释放做功,温度下降
-封闭的循环排放到存储器中
-返回到存储罐中的气体的液化。
*存储器中为液相的流体的蒸发是通过使用工作流体/工作流体交 换器的加热而获得的,然后流体在交换器中为半气相,并从体积释放 装置的排气口返回,在足够的温度下进行这些过程,加热和蒸发部分 为液相的低温流体,而在存储器中进行冷却和液化。
*低温流体液化蒸发热交换器由浸入到罐中的盘管构成,来自于发 动机排气口的流体将会终止其冷却和液化,而释放出蒸发存储器中为 液相的流体所需的热。
*低温机器位于体积释放装置的排气口和流体存储器之间,以使其 能够调节在排气口处释放、然后为气相或半气相的工作气体在插入到 存储器的热交换器中使其液化之前的温度;然后,在体积释放装置排 气口处的为气相或半气相的流体在其通过位于低温机器的冷室中的热 交换器的过程中被冷却。
*通过使用磁热效应来运转该低温机器,该磁热效应利用了某种材 料的特性,在磁场作用下被迫升温,而在磁场消失之后或该磁场发生 变化之后其温度降至小于其初始温度。
*其热力循环包括八个阶段:
-低温流体的蒸发
-在极低温度下压缩该流体
-在恒压下借助周围环境温度进行再加热
-准等温传递做功
-多变释放做功,温度下降
-封闭的循环排放到存储器中
-在低温机器中进行冷却
-返回到存储罐中的气体的液化。
*恒压膨胀罐由大体积工作压力存储器构成,工作气体容纳在该大 体积工作压力存储器中,根据:其包围有大气的热交换表面积、其体 积和在所述存储器中的存储时间,而保持在周围环境温度下;通过自 然的在周围环境温度下混合已经容纳在所述压力存储器中的工作气体 使得来自于压缩机的压缩后的工作气体实质上达到周围环境温度。根 据存储器的体积和在所述存储器中的存储时间,以及其壁与大气接触 的表面积,通过自然的混合已经容纳在存储器中的气体来返回到周围 环境温度,并通过壁与周围环境温度的热交换来保持在周围环境温度 下。
*所述压力存储器的外壳包括外部和/或内部热交换装置,比如促 进大气和容纳在存储器中的工作气体之间热交换的翅片,从而使其能 够显著的增大热交换表面积并改善与大气的热交换效率。
*至少一个大气/工作气体交换器安装在压缩机以及恒压膨胀罐和 /或工作压力膨胀存储器之间,以及/或者安装在所述存储器和做功的 体积释放装置之间,以致动所述工作气体返回到周围环境温度。
*工作气体加热装置的位置设置成使得在工作气体插入到发动机 中之前能够获得高于周围环境温度的温度,通过热交换器使温度增大 后到达外-外型燃烧室,以不被低温流体在其处于气相时燃烧弄脏。
*其热力循环包括以下九个阶段:
-低温流体的蒸发
-在极低温度下压缩该流体
-在恒压下借助周围环境温度进行再加热
-再加热,温度上升至大于周围环境温度
-准等温传递做功
-多变释放做功,温度下降
-封闭的循环排放到存储器中
-在低温机器中进行冷却
-返回到存储罐中的气体的液化。
*-其包括一装置和主动室,该装置用于控制活塞的行程,促使活 塞停止于其上止点一段时间,
-在驱动活塞停止于其上止点期间,当主动膨胀和释放室处于其 最小体积状态时,增压的气体进入到主动膨胀和释放室中——其由可 变体积装置构成,使其能够做功,该装置通过通道与位于主驱动活塞 上方的空间连接并永久接触——并且在工作气体的推进下,体积增大 而做功;
-当主动膨胀和释放室大体上处于最大体积的时候,然后进气口 关闭,容纳在所述室中仍然压缩处于压力之下的工作气体在发动机气 缸中膨胀,从而在其下行程中向后推动驱动活塞而在其返回时做功, 从而经历主要的温度降低,
-在驱动活塞排气冲程的上行程期间,主动膨胀和释放室的可变 体积回复到其最小体积,以重新开始完整的工作循环。
为确定想法,作为非限制性例子,使用氦(He)作为低温流体, 其蒸发温度为五开氏温度(5K),并使其能够在30巴下向30cm3的主 动室供应工作气体,气体压缩机吸收的体积在5K时为15cm3,排放 的体积在19K和30巴时为1.91cm3。同样的工作气体,通过热交换 器达到293K的周围环境温度(等容加热),发现其大气中的能量在体 积上增加了15.42倍(293/19),在同样的压力(30巴)下达到所需的 30cm3(1.91*15.42=30cm3)。在体积释放装置中释放并随后做功的气 体在大气压下处于90K的温度状态。然后其被冷却,然后被液化,并 返回到存储罐中,以允许开始新的循环。
在上面的例子中,通过小体积气体(吸收的15cm3)的发动机旋 转的压缩代表了不太重要的负功,大体上为4000rpm下0.88KW (1.2hp)的状态,使其能够在30巴下获得1.9cm3,并且温度仅仅为 19K,通过与大气的热交换,周围环境热能使气体的体积能够达到 30cm3,在主动室体积释放装置中膨胀,产生大约12KW(16hp)的 功,而将排出的气体从90K返回到其液化温度(5K)所需的能量表现 为3.29KW(4.4hp)。从而,周围环境温度热能在温度上升期间提供 大约10hp(7.65KW)。
极低温度工作气体压缩机有利的由低温压缩机构成,允许其在使 用的温度下运转;其由主动室体积释放装置的发动机轴驱动,或者与 体积释放装置(比如具有两级活塞)的设计合并。压缩机的级数及其 操作方法:交替活塞(alternating piston),旋转活塞,具有桨片(paddle) 的转子(rotary),具有薄膜的压缩机,涡轮,可以进行变化而不改变 本发明的原理。
结合布置包括一个或多个体积或大或小的恒压膨胀罐,以及一个 或多个位于所述膨胀罐之前和/或之后的热交换器,本领域技术人员可 以形成这样的布置而不改变本发明所述的原理。同样的布置可以应用 到热交换器或使用气体(周围环境空气/气体)、流体(流体/工作气体) 或固体(固体/工作气体)的交换器中,使其能够给工作气体提供大气 的周围环境温度的卡路里。
在罐中为液相的流体的蒸发可以通过所有已知的加热或再加热方 式获得,但是根据本发明其优选的通过使用从发动机排气口返回的低 温流体的温度通过在热交换器中的热交换来获得,在足够的温度下进 行这些过程,该热交换器由比如浸入到存储罐中的盘管构成,来自于 发动机排气口的流体通过相互交换终止其冷却和液化,而释放出蒸发 所需的热。
有利地,盘管的出口位于罐的底部,该罐容纳有为液体形式的低 温流体,随着所述盘管浸入到流体顶部,该顶部的流体首先被蒸发。
有利地,设计成制冷的低温机器位于发动机的排气出口和流体罐 之间,以使其能够调节为气相或半气相的排放流体在插入到罐的热交 换器之前的温度;然后,从发动机排气口出现的还为气体状态的膨胀 的工作气体在使用吸收热以蒸发的流体的低温机器的冷室中被冷却, 其中初始为气体状态的低温流体由于低温压缩机而被压缩,然后排放 到盘管中进行液化,这个液化现象释放热;然后流体插入到位于冷室 中的蒸发器中进行蒸发(吸收热而因此制冷的现象),产生的蒸汽返回 到压缩机中,重新开始循环。
有利地,本发明可使用磁热效应低温机器。
第一技术,基于大尺寸超导磁性设备的使用,用在实验室和核研 究领域,来研究接近于绝对零度的温度。特别的,专利US-A-4,674,288 中公开说明了一种氦液化装置,其包括可磁化的基片和一存储器,该 基片可以在超导盘管产生的磁场中移动,该存储器容纳有氦并与所述 超导盘管进行热传导。可磁化的基片的平移制冷,借助传导部件传递 给氦。还公知的是专利WO 2005/043052,其可供参考的是,说明了一 种由磁热材料制成的热熔生成装置,包括热熔生成单元,其设置有至 少两个加热部件,每个都包含至少一个磁热元件;磁性装置,其布置 成发出至少一个磁场;移动装置,其与磁性装置连接以相对于磁热元 件来移动磁性装置,以使其经历磁场的变化或移除,来促使其温度发 生变化;以及用于回收由这些磁热元件发出的卡路里和/或冷冻。
用于再加热工作气体的装置位于其插入到发动机之前的位置上, 使其能够获得大于周围环境温度的温度。这种工作气体的再加热可以 通过在附加燃料模式中燃烧化石燃料而获得,通过热力再热器中的附 加能量再加热容纳在工作罐中的压缩气体。这种布置使其能够增大可 以使用的能量的量,能量可通过以下事实获得,即压缩的工作气体在 其插入到主动室体积释放装置中之前将会升高温度并增大体积,使得 能够增强发动机对于一个或相同气缸容量的性能。热力再热器的使用 具有的优点在于能够使用清洁连续的燃烧,为了获得极小的污染排放 而可以采用所有已知方式来进行催化或消除污染。
然后,通过热交换器在外-外型燃烧室中实现温度增大,以不被低 温流体在其处于气相时燃烧弄脏。
根据本发明这个变化的发动机的热力循环的特征在于其包括上述 九个阶段。
依据驾驶员的规范、追求的性能和产生的成本,根据本发明的低 温发动机可以采用所有已知的低温流体进行运转,然而,为了获得更 好的动力,将使用具有最低沸点温度的流体,其允许其液相和蒸发温 度之间存在最大的可能温度差,流体的温度接近周围环境温度,当其 插入到主动室的气缸中时为气相,这个温度差决定了发动机的效率。
在公知的冷冻和低温流体中,氦(He)的沸点温度为5K,氢(H2) 的沸点温度为20K,氮(N2)的沸点温度为77K,这些可以用来获得 所追求的结果。
也可以采用气体混合物,该气体混合物根据需求来改变这些特征。
冷冻机器、蒸发器和热交换器的压缩模式、使用的材料、冷冻或 低温流体、应用于本发明的液化低温机器的类型,都可以进行变化而 不改变所述的本发明。
所有机械的、液力的、电子的或其它的布置,以允许完成蒸发、 压缩、主动室工作循环,也就是通过增大体积来插入进气装入量做功, 接下来保持在确定的体积,该确定的体积为驱动活塞膨胀冲程中真实 的室体积,然后返回到其最小体积,以允许新的循环,这些都可以进 行变化而不改变刚刚所述的本发明。
根据本发明的发动机的体积释放装置的内膨胀室主动加入做功。 根据本发明的体积释放装置被称为“主动室”。
称为主动室的可变体积膨胀和释放室可以由称为压力活塞的活塞 构成,其在气缸中滑动,并通过连接杆连接到发动机曲轴曲柄销上。 然而,其它使其能够本发明完成相同功能和热力循环的机械的、电子 的或液力的布置可以使用而不改变本发明的原理。
体积释放装置的所有可移动的设备(活塞和压力杠杆)通过将下 臂延伸超过其稳定端或枢轴来进行平衡,通过附着对称和相等的惯量 的方向相对的镜像(mirror)压力杠杆,能够在平行于活塞移动的轴 上移动,惯量相等,与活塞的方向相对。“惯量”为重量与重心到参考 点的距离的乘积。在多缸体积释放装置的情况下,相对的重量可以是 与其平衡的活塞一样正常运转的活塞。
根据本发明的装置可以使用后一种布置,其中,相对气缸的轴和 压力杠杆的固定点大体上在同一个轴上成一直线,连接到曲轴的控制 连接杆的轴相反不是位于致动臂的公共轴上,而是位于公共轴和固定 点或枢轴之间的臂本身上。因此,下臂及其对称表示了大体上在其中 心具有枢轴或固定点的单臂,两个主轴(spindle)在其自由端连接到 相对的活塞上。
气缸的数量可以变化而不改变本发明的原理,优选的,使用两个 相对气缸的偶数个气缸,或者为了获得更好的循环规律,使用多于两 个的气缸,比如四个或六个等。
根据本发明的另一个变化,周围环境温度热能低温发动机由多个 膨胀级构成,各个级包括根据本发明的主动室,在各个级之间,设置 有热交换器,使其能够再加热前一级中排出的空气,以及/或者需要具 有附加能量的再加热装置。下一级的气缸尺寸大于上一级的气缸尺寸。
根据专利申请WO 2005/049968,周围环境温度热能和恒压低温发 动机有利的使用固定有主动室的做功的体积释放装置。
然而,根据本发明的变化,提供:
一种发动机,其特征在于:
-工作气体为在封闭循环中使用的以液相存储的低温流体,以气 相工作,并以液相返回到存储器中,
-工作气体初始为液体,在极低的温度下以气相蒸发,供应气体 压缩装置的进气口,然后该压缩装置排除该工作气体,该工作气体被 压缩到其工作压力并仍处于低温状态,穿过大气/工作气体交换器,以 及/或者直接进入恒压膨胀罐中,该恒压膨胀罐包括或不包括有加热装 置,在该恒压膨胀罐中该工作气体的温度显著上升,其体积根据恒压 关系:V1/V2=T1/T2以相同的比例上升,
-然后,仍然压缩到其工作压力的所述工作气体进入做功的体积 释放装置中,该做功的体积释放装置用在具有传统曲柄连接杆装置的 传统发动机中,或者用在旋转活塞发动机或其它释放做功的内燃装置 中,
-在释放后工作气体在所述做功的体积释放装置的排气口处再次 以极低温度通过低温机器排放到低温流体的存储器中,该低温机器位 于排气口和流体罐(A1)之间,以使其能够调节在排气口处释放的然 后为气相或半气相的工作气体在插入到存储器的热交换器中使其液化 之前的温度;然后,在释放装置排气口处的为气相或半气相的流体在 其通过位于低温机器的冷室中的热交换器的过程中被冷却,并被液化 以重新开始新的循环。
根据本发明这个变化的热力循环的特征在于其包括七个阶段:
-低温流体的蒸发
-在极低温度下压缩该流体
-在恒压下借助周围环境温度进行再加热
-多变释放做功,温度下降
-封闭的循环排放到存储器中
-在低温机器中进行冷却
-返回到存储罐中的气体的液化。
周围环境温度热能和恒压低温发动机还可以有利的找到其备用的 应用,应急和/或发电机组,在许多地方联合发电应用中,发电、加热 和空气调节。
根据本发明的发动机的其它特征:
*一加速器蝶形阀位于做功的体积释放装置的进气管道上,以使其 能够通过让更多或更少的气体进入主动室和/或其气缸来控制发动机。
*一加速器蝶形阀位于极低温度压缩机的进气口上,并且优选的由 电子装置控制,以使其能够调节压缩机的进气、速率,而使恒压膨胀 罐中保持所需的压力,该压力根据体积释放装置提取的气体量而趋于 下降。
附图说明
参考附图,阅读几个实施例的非限制性说明,本发明的其它目的、 优点和特征将会变得明显,其中:
-图1为根据本发明的主动室低温发动机的横截面结构图;
-图2至4为根据本发明的发动机各种运转状态的横截面结构图;
-图5为低温发动机的热力循环的温度/体积曲线图。

具体实施方式

图1为根据本发明的周围环境温度热能低温发动机的横截面结构 图,该发动机包括五个主要部件:为液相的低温流体的存储器A、极 低温度压缩机B、气体/周围环境空气交换器C、具有主动室的做功的 体积释放装置D和用于在液化前进行冷却的低温机器E,其中可以看 到一存储器A1,为液相的低温流体A2存储在该存储器A1中,该存 储器A1包括有用于液化和蒸发的热交换器A3。该存储器通过管道 A4连接到极低温度压缩机B的进口上,极低温度压缩机B的出口通 过管道B5连接到低温流体/周围环境空气交换器C上,低温流体/周围 环境空气交换器C本身通过管道C1连接到恒压膨胀罐19上,恒压膨 胀罐19本身连接到主动室体积释放装置的进口17上,该主动室体积 释放装置包括有驱动活塞1(显示的是位于其上止点),在气缸2中滑 动并由压力杠杆控制。该驱动活塞1通过其轴连接到压力杠杆的自由 端1A上,该压力杠杆由臂3在公共轴5上铰接到另一个臂4构成, 该臂4可摆动的固定到固定轴6上,在该臂4的大体中间位置布置有 轴4A,连接到曲轴9的曲柄销8上的控制连接杆7连接到该轴4A上, 该曲轴9绕其轴10旋转。在曲轴旋转期间,控制杆7通过下臂4及其 轴4A在压力杠杆的两个臂3和4的公共轴5上施加力,从而允许活 塞1沿着气缸2的轴移动,在驱动冲程期间,施加在活塞1上的力反 过来传递到曲轴9上,从而使其旋转。发动机气缸2通过位于其顶部 的通道12与主动室气缸13联通,活塞14在该主动室气缸13中滑动, 该活塞14又称为压力活塞,通过连接杆15连接到曲轴9的曲柄销16 (用虚线表示)上。由气门18控制的进气管道17开口到通道12中, 通道12连接发动机气缸2和主动室气缸13,使其能够向发动机供应 来自于膨胀罐19的、保持准恒压的压缩气体(为气相的低温流体)。 在发动机气缸2的上部,由排气门24控制的排气管道23在穿过冷室 E之后连接到液化和蒸发热交换器A3,该冷室E使其能够冷却排气口 的低温流体,并在热交换器A3中准备将其液化。
加速器蝶形阀17A位于做功的体积释放装置D的进气管道上,并 使其能够通过让更多或更少的气体进入主动室12、13来控制发动机。
加速器蝶形阀A7位于极低温度压缩机的进气管道A4上;其优选 的由电子装置控制,使其能够调节压缩机的进气、输出,而使恒压膨 胀罐19中保持所需的压力,该压力根据发动机提取的气体量而下降。
为液相的低温流体A2在热交换器A3的帮助下蒸发为气相,并且 通过进气口管道A4被低温流体压缩机B吸收;然后为气体形式但是 仍具有极低温度的低温工作流体被压缩到比如30巴,并通过管道B6 释放到周围环境空气/低温流体交换器C中,其温度将会实质上升到周 围环境温度,导致其体积的增大,以接下来大体上通过管道C1进入 到恒压膨胀罐19中,该恒压膨胀罐19通过进气口管道17连接到具有 主动室的做功的体积释放装置D上,在图2中,驱动活塞1停止于其 上止点,进气门18刚好已经打开;容纳在恒压膨胀罐19中的压力气 体推动压力活塞14而填充主动室13的气缸并通过连接杆15促使曲轴 9旋转而做功,该功是很可观的,因为其是在准恒压下,贯穿压力活 塞14的整个行程而实施的。
通过持续旋转,曲轴允许——图3——驱动活塞1移动到其下止 点,然后进气门18再次大体上同步关闭;然后,容纳在主动室中的装 入量膨胀,而推动驱动活塞1,借助由臂3和4以及控制连接杆7组 成的可移动设备而在驱动活塞1返回时通过旋转曲轴9做功。
在驱动活塞1的这个循环中,压力活塞14继续其直到下止点的行 程,而开始其直到上止点的行程,所有的部件设立成使得在活塞的上 行程期间——参见图4——压力活塞14和驱动活塞1大体上一起到达 上止点,驱动活塞1将会停止,而压力活塞14将会开始新的下行程, 以重新开始新的工作循环。在两个活塞1和14的上行程中,排气门 24是打开的,以将低温流体返回到存储器A中,该低温流体在膨胀穿 过排气管道23和低温机器E及其热交换器E1期间被急剧冷却,其在 穿过进入热交换器A3期间将会被液化,并返回到罐中以重新开始新 的循环。
图5为根据本发明的热力循环的温度/体积曲线图,其中,在平 轴上可以看到温度,而在垂直轴上可以看到气体体积,并有多个与循 环有关的节段,蒸发(节段V)之后压缩到工作压力(节段Com)。 然后气体在恒压下达到(准)周围环境温度(节段EthA),以接下来 在准等温和恒压下传递到发动机的主动室中做功(节段W),并进行 多变的(polytropic)膨胀,做功、冷却并移动接近大气压力,以接下 来插入到低温机器中(节段REFR),急剧冷却然后液化L,并使其能 够重新开始热力循环。
本发明并不限于所述的示例性实施例,在产生同样结果的等效限 制中可以对所述材料、控制设备、装置做出改变,而不改变已经说明 了的本发明。
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