利用空气热能输出动力、制冷、淡水的冷态发动机
阅读：290发布：2021-04-07
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1.一种利用空气热能输出动力、制冷和淡水的冷态发动机或装置由汽化器、高压膨胀机、高压工质泵、空气换热器、循环泵、发电机、管、阀仪表相互连通可运作组成，用单原子或双原子气体做工质，根据深冷工质热力-制冷循环和无霜两级换热循环工作原理，需一次性加注深冷液体或高压气体做工质和启动动力，深冷工质液体吸收空气热能汽化膨胀为高压蒸汽，进入膨胀机推动活塞轮转动，经历绝热膨胀过程，输出机械功和深冷冷量，空气换热器输出制冷，冷凝水和干空气。
2.如权利要求1所述的冷态发动机，其中，深冷工质热力-制冷循环又称第一级循环由汽化器，高压膨胀机，高压工质泵3个主件和管，阀，仪表等辅件相互连接可操作组成。
3.如权利要求1或2所述的冷态发动机，其中，深冷工质热力–制冷循环又称第一级循环由3个相连的热力过程组成；即汽化器的定压吸热过程、膨胀机的绝热膨胀过程和工质泵的等熵压缩过程。
4.如权利要求1或2所述的冷态发动机，其中，至少用一个汽化器来产生高压蒸汽，并将其安装在高压工质泵和高压膨胀机之间，汽化器壳侧流高压工质，管侧流低压传热液。
5.如权利要求1或2所述的冷态发动机，其中，在汽化器和高压工质泵之间至少要安装一个膨胀机，其功能是输出机械功和深冷冷量。
6.如权利要求1或2所述的冷态发动机，其中，在膨胀机和汽化器之间至少要安装一个高压工质泵来将膨胀机出口的工质升压，泵回汽化器。
7.如权利要求1或2所述的冷态发动机，其中，在汽化器和膨胀机之间连通安装一个储罐来增大容积和过热蒸汽。
8.如权利要求1所述的冷态发动机，其中，用单原子气体(如氮气，氦气)或其混合物(如空气)或双原子气体(如二氧化碳)做工质。
9.如权利要求1或2所述的冷态发动机，其中，需一次性加注深冷液体或高压气体做工质和启动动力。
10.如权利要求1或2所述的冷态发动机，其中，采用工质气–液相变循环技术。
11.如权利要求10所述的冷态发动机，其中，循环的工质初压参数(P1)要根据气态工质的液化温度(T2)来设定，并采用大膨胀比(P1：P2＝120–150)。
12.如权利要求1至11中任一所述的冷态发动机，其中，采用由第一级循环和第二级循环组成的无霜两级换热循环技术，第一级循环由汽化器、膨胀机、工质泵组成，第二级循环由汽化器、空气换热器、循环泵组成。
13.如权利要求12所述的冷态发动机，其中，第一级循环和第二级循环通过汽化器偶联组成。
14.如权利要求12或13所述的冷态发动机，其中，用水或低冰点防冻液做传热液。
15.如权利要求14所述的冷态发动机，其中，空气换热器的工作温度通过调节第二循环中传热液的循环流量来达到。
16.如前述权利要求中任一项所述的冷态发动机，其中，膨胀机、工质泵及其连接管的外表面都包覆绝热层，以降低传热。
17.如前述权利要求中任一项所述的冷态发动机，其中，高压膨胀机输出的机械功可直接用作车，船，飞行器和多种机械的动力，还可进一步转化为电能，热能利用。
18.如权利要求17所述的冷态发动机，其中，该膨胀机是一款高压膨胀机，其输出的机械功，因为耗散效应，功将变为废热释放到大气中，而大气热能又能被本发明吸收利用，因此形成热能循环利用方法。
19.如前述权利要求中任一项所述的冷态发动机，其中，可用作钢铁厂、水泥厂等工业耗能大户的供能装置，并且是采用闭式热能循环利用方法。
20.如前述权利要求中任一项所述的冷态发动机，其中，高压膨胀机输出的深冷冷量(-196℃～-210℃)，采用相应的换热技术和装置可以实现深冷冷量的分级利用(空调，
20–25℃，冰箱，4～-80℃，材料深冷处理，-120℃～-160℃，空气液化，-196℃～-210℃)，因此可制成多种制冷设备。
21.如前述权利要求中任一项所述的冷态发动机，其中，根据用途，所述装置的规模大小可根据需要设计，可设计制造成便携式电源、大型电站，还可制成每户一台的供能、产水、空调制冷等多功能装置。
22.如前述权利要求中任一项所述的冷态发动机，其中，该换热器是一款空气换热器，能产生大量冷凝水，收集纯化处理即为优质淡水，因此可制成空气水生产设备，淡水应用后排入环境，蒸发进入大气，形成良好的水循环。
23.如权利要求22所述的冷态发动机，其中，空气通过换热器后，空气中的水汽变为冷凝水，空气变为干空气，因此具有除湿功能，可制成多种除湿器。
24.如前述权利要求中任一项所述的冷态发动机，其中，该装置能利用水体(如，江，河，湖，海)热能做功，因此能制成舰船，潜水艇等的动力装置。
25.如权利要求1或18所述的冷态发动机，其中，高压膨胀机由缸筒、活塞轮、带状密封环、轴、轴承座、端盖第组成，缸筒上有工质流体进口，出口和串联连接管，进口和出口的根部变粗。
26.如权利要求25所述的冷态发动机，其中，活塞轮上有一圈或多圈蜂巢状腔室作活塞腔，多圈活塞腔串联使用可以获得做功的足够位移。
27.如权利要求26所述的冷态发动机，其中，单一活塞腔容积设计成尽可能小并且每个腔容积相等，推力面面积设计成尽可能大。
28.如权利要求27所述的冷态发动机，其中，高压膨胀机的做功位移长度要根据膨胀机出口的工质终压(P2)接近于零来设计。
29.如权利要求25至28中任一所述的冷态发动机，其中，活塞轮在缸筒内转动，缸筒内壁与活塞轮外表面形成一个摩擦表面。
30.如权利要求25至28中任一所述的冷态发动机，其中，每个活塞腔都有一个开口，口部有带状密封环安装槽，带状密封环一圈呈U型断面夹层，具有自密封功能。
31.如权利要求25所述的冷态发动机，其中，活塞腔包括一个带状自密封环，其安装在活塞腔口部外圆面槽中，与缸筒内壁呈精密配合，自密封环与活塞轮通过定位键固定。
32.如权利要求25所述的冷态发动机，其中，带状自密封环是开口环，端头呈槽榫连接，榫的两侧有小弹簧片。
33.如前述权利要求中任一项所述的冷态发动机，其中，膨胀机还可用在将有压流体压力能转化为机械功或扭矩输出的领域。
34.一种利用空气热能输出动力、制冷、淡水的方法由两级循环组成，第一级循环和第二级循环所使用的组件如权利要求1所述，
第一级循环使用的组件包括；
膨胀机—用高压蒸汽输出功和冷量，
汽化器—内装深冷工质，产生高压蒸汽，
工质泵—安装在膨胀机和汽化器之间，将膨胀机出口的低压工质升压泵回汽化器，第二级循环使用的组件包括；
汽化器，
空气换热器—与环境空气进行换热，
循环泵—安装在汽化器与空气换热器之间，
其特征是；膨胀机，汽化器，工质泵，空气换热器和循环泵相互流通可操作连接组成，第一级循环和第二级循环的组成方法是；
在第一级循环，深冷液态工质吸热汽化，膨胀为高压蒸汽，进入膨胀机经历绝热膨胀，输出机械功和深冷冷量，高压蒸汽发生绝热焓降，压力和温度呈正比地大幅降低，直至液化为深冷液体，深冷液体被工质泵升压泵回汽化器，
在第二级循环，汽化器是第一级循环和第二级循环的共用组件，
来自汽化器的冷传热液循环到空气换热器与环境空气换热，空气热能被吸收，温度下降变为冷空气，传热液吸热变为暖液体，暖的传热液循环到汽化器进行换热，深冷工质吸热汽化为高压暖蒸汽，传热液热量被吸收，温度下降变为冷液体。
35.如权利要求1所述的高压膨胀机，其中，膨胀机有一个筒状缸体，内部安装至少一个活塞轮，活塞轮上有多圈活塞腔，高压流体冲入活塞腔，推动活塞轮转动，输出机械功。
36.冷态发动机或装置或膨胀机的实质性描述还应参考相关附图。
利用空气热能输出动力、制冷、淡水的冷态发动机
技术领域
[0001] 本发明属新能源领域，是一款能方便高效利用空气热能输出动力、制冷和淡水的冷态发动机或装置，特别是组成该冷态发动机或装置的“深冷工质热力-制冷循环”，“无霜两级换热循环”等根本方法，和“高压膨胀机”等关键装置。
[0002] 发明背景
[0003] 大气是一个低温热源库，具有巨大的热能。大气热能主要来自太阳能，其次是地热能和人类各种能源消费活动(如煤，油，气，电等的使用)释放到大气中的废热。可以说大气是一个具有无穷无尽热能的“能量海”。
[0004] 然而现有的热力学理论，方法和装置均不能利用这一随处可取，无穷无尽的大气热能来输出有用功或电力。
[0005] 之前，曾报道多种方法和装置试图利用环境热能做功或输出电力，但无一成功。而与本发明相似的方法和装置迄今未见报道。
[0006] 在此文中对任何文件，方法或物品所做的参考或讨论，除非特别说明，都不代表所参考或讨论的文件，方法，物品或者任何一种组合，或在优先权日期时是公众知识或者与此描述有关的其他问题解决方案。
[0007] 发明目的
[0008] 本发明的目的是提供一种装置和方法，以克服或显著改善公知技术的短处和限制，或者提供给公众一种有用的选择。本发明的另一目的是提供一种可以在一系列功能性需求上有用的装置和方法。
[0009] 发明简介
[0010] 相应地，在本发明的第一方面，本发明利用空气热能输出动力、制冷、淡水的冷态发动机或装置，由两级循环即第一级循环和第二级循环组成。
[0012] 第二级循环由汽化器、空气换热器和循环泵三个主件组成，循环泵安装在汽化器和空气换热器之间。
[0013] 其中，膨胀机、汽化器、工质泵、空气换热器、循环泵经管道连接组成。
[0014] 优选地，本装置还包括一个储罐，安装在汽化器和膨胀机之间并相互连通。
[0015] 优选地，储罐上安装有温度表和压力表，以监测显示储罐内的温度和压力。
[0016] 优选地，各部件通过包括管道的连接装置流体连接。
[0017] 优选地，汽化器筒状壳体表面有两对流体入口出口，一对入口出口分别管道连接膨胀机和工质泵，另一对入口出口分别连接空气换热器和循环泵。
[0018] 优选地，汽化器上还安装有安全阀和放气阀。
[0019] 优选地，连接装置包括至少一个温度表和压力表，以监测显示储罐内的温度和压力。
[0020] 优选地，在膨胀机出口处安装有单向阀。
[0021] 优选地，在膨胀机、工质泵及其连接管的外表面包覆有绝热层。
[0024] 优选地，膨胀机是将高压工质压力能转化为机械功和冷量输出的装置，由缸筒，工质流体入口，出口，可转动活塞轮，筒状活塞轮至少包括一圈活塞腔，一圈活塞腔位于轴的外圆面。
[0025] 优选地，每个活塞腔的外圆周都有密封环槽，带状密封环安装在槽中。
[0026] 优选地，活塞轮和带状密封环安装在缸筒内，呈精密配合，当高压工质流体冲入活塞腔，推动活塞轮转动，输出机械功。
[0027] 优选地，该型膨胀机还由三圈活塞腔组成，通过连接管将三圈活塞腔串联连接使用，这样可以获得膨胀机定容做功过程的足够位移。
[0028] 优选地，膨胀机上的工质流体入口，出口根部变粗，且与缸筒呈正切方向连接。
[0029] 优选地，带状密封环由多个方框型密封小环组成，密封小环中部有长方形通孔，每个密封小环通过接头相连组成一圈带状密封环。
[0031] 优选地，至少两圈活塞腔呈串联连接使用，每圈活塞腔的外圆面有带状密封环安装槽，用来安装带状密封环。
[0032] 优选地，带状密封环外圆面与缸筒内壁呈精密贴合，带状密封环内圆面与活塞轮上的密封环槽外圆面呈精密贴合。
[0033] 相应地，在本发明的第二方面，本发明利用空气热能输出动力、制冷、淡水的方法由两级循环组成，组成第一级循环和第二级循环的组件描述如下；
[0034] 第一级循环的组件；
[0035] 膨胀机；用高压气体产生机械功和冷量。
[0036] 汽化器；装深冷工质流体，工质泵驱动深冷工质流体从膨胀机循环到汽化器，工质泵安装在膨胀机和汽化器之间。
[0037] 第二级循环的组件；
[0038] 汽化器；产生高压蒸汽。
[0039] 空气换热器；用来与空气换热。
[0040] 循环泵；安装在汽化器和空气换热器之间。
[0041] 膨胀机，汽化器，工质泵，空气换热器和循环泵之间通过管道连接组成。
[0042] 本发明的方法由第一级循环和第二级循环组成；
[0043] 在第一级循环：
[0044] 深冷工质流体在汽化器吸热汽化膨胀为高压蒸汽，此高压蒸汽进入膨胀机经历绝热膨胀过程，输出机械功和冷量，高压蒸汽发生绝热焓降，工质蒸汽的温度降到液化温区，工质蒸汽液化为深冷液体，深冷液体被工质泵泵回汽化器。
[0045] 第二级循环，通过汽化器与第一级循环偶联：
[0046] 冷传热液从汽化器循环到空气换热器与外部热源(如空气，水)换热，空气热能被吸收，温度降低变为冷空气，传热液吸收空气热能后温度升高，变为暖液体，暖传热液循环到汽化器与深冷工质换热，深冷工质吸热汽化，膨胀为高压暖蒸汽，暖传热液的热能被吸收后温度降低，变为冷传热液。
[0047] 优选地，最初的变化是第二级循环先于第一级循环发生，然后都是同时发生。
[0048] 优选地，传热液用水或低冰点防冻液。
[0049] 优选地，深冷工质用单原子气体(如，N2,He-4)或其混合物(如，空气)，或双原子气体(如，CO2)。
[0050] 优选地，膨胀机输出的机械功，因为耗散效应，最终转化为废热释放到大气中，大气热能又能被本发明吸收利用，因此实现热能循环利用。
[0051] 优选地，空气换热器产生大量冷凝水，收集纯化处理即为优质淡水，所以空气换热器可制成空气水生产设备。
[0052] 优选地，空气通过换热器后，空气中的水汽冷凝成水，空气变为干空气，所以，空气换热器具有除湿功能，可以作为除湿器。
[0053] 相应地，在本发明的第三方面，本发明中的膨胀机，其将高压工质转化为机械功输出，由装有工质流体入口，出口的缸筒，旋转轴，至少一圈活塞腔组成的活塞轮，活塞轮上的密封环槽，带状密封环组成。
[0054] 活塞轮，带状密封环，缸筒呈精密配合，高压工质进入活塞腔，推动活塞轮转动，输出机械功。
[0055] 优选地，该型膨胀机还可由三圈活塞腔串联连接使用，如此可获得膨胀机定容做功过程的足够位移。
[0056] 优选地，工质流体入口，出口的根部变粗，且与缸体呈正切方向连接。
[0057] 优选地，每个带状密封环由多个方框型密封小环拼接组成，每个密封小环中部有长方形通孔，靠接头连接。
[0058] 优选地，每个带状密封环的接头两侧有小弹簧片，接头形式呈槽，榫连接。
[0059] 优选地，三圈活塞腔串联连接使用，每圈活塞腔外圆面有带状密封环安装槽，用以安装带状密封环。
[0060] 优选地，带状密封环外圆面直径与缸筒内壁直径相同，呈紧密贴合，带状密封环内圆面直径与密封环安装槽外圆面直径相同，也呈紧密贴合。
[0061] 相应地，在本发明的第四方面，本发明的组成装置有汽化器，高压膨胀机，高压工质泵，空气换热器，循环泵，发电机，管，阀，仪表等流通连接组成。用单原子或双原子气体做工质，根据深冷工质热力–制冷循环和无霜两级换热循环工作原理，需一次性加注深冷液体或高压气体作工质和启动动力，吸收空气热能，汽化膨胀为高压气体，进入膨胀机推动活塞轮转动输出机械功和冷量，空气换热器输出制冷，冷凝水和干空气。
[0062] 优选地，深冷工质热力–制冷循环又称第一级循环由汽化器，高压膨胀机，高压工质泵三个主件和管，阀，仪表等辅件可操作流体连接组成循环装置。
[0063] 优选地，深冷工质热力–制冷循环又称第一级循环由三个相连的热力过程组成，即汽化器的定压吸热过程，膨胀机的绝热膨胀过程和高压工质泵的等熵压缩过程。
[0064] 优选地，用至少一个汽化器来产生高压蒸汽，汽化器安装在高压工质泵和高压膨胀机之间，汽化器壳侧流高压工质，管侧流低压传热液。
[0065] 优选地，在汽化器和高压工质泵之间至少安装一个膨胀机，膨胀机的功能是输出机械功和冷量。
[0066] 优选地，在膨胀机和汽化器之间至少要安装一个高压工质泵来将膨胀机出口的工质升压，泵回汽化器。
[0067] 优选地，在汽化器和膨胀机之间连通安装一个储罐，用来增大容积和过热蒸汽。
[0068] 优选地，用单原子气体(如，N2,He-4)或其混合气体(如，空气)或双原子气体(如，CO2)做工质。
[0069] 优选地，需一次性加注深冷工质液体或高压工质气体作启动动力。
[0070] 优选地，采用工质气—液相变循环技术。
[0071] 优选地，根据气态工质的液化温度(T2)来设定循环的初压(P1)参数，并采用大膨胀比(P1:P2＝120–150)。
[0072] 优选地，采用的无霜两级循环换热技术由第一级循环和第二级循环组成，汽化器，膨胀机，工质泵组成第一级循环，汽化器，空气换热器，循环泵组成第二级循环。
[0073] 优选地，第二级循环通过汽化器与第一级循环偶联。
[0074] 优选地，第二级循环用水或低冰点防冻液作传热液。
[0075] 优选地，空气换热器的工作温度通过调节第二级循环中传热液的循环流量来达到。
[0076] 优选地，膨胀机，工质泵及其连接管的外表面均包覆一层绝热层，以降低传热。
[0078] 优选地，该型膨胀机是高压膨胀机，其输出的机械功，因为耗散效应，最终转化为废热释放进入大气，而大气热能又能被本发明吸收利用，因此实现热能的循环利用。
[0080] 优选地，高压膨胀机输出的深冷冷量(-196℃～-210℃)，采用相应的换热技术和设备，可以实现深冷冷量的分级利用(如；空调，20℃—25℃，冷藏，4℃，冷冻，-8℃—-80℃，深冷处理，-120℃—-160℃，空气液化，-196℃—-210℃等)，因此可制成多种制冷设备。
[0081] 优选地，根据用途，本发明装置规模设计可大可小，可设计制成微型便携式电源，大型电站，还可设计制成每户一台的供能，产水，制冷空调等多功能装置。
[0083] 优选地，空气通过换热器后，水汽被冷凝成水，空气变为干空气，因此具有除湿功能，可制成除湿器。
[0084] 优选地，本发明装置还能利用水体(如，江，河，湖，海等)热能做功，因此可制成舰船，潜水艇等的动力装置。
[0085] 优选地，该高压膨胀机由缸筒，活塞轮，带状密封环，轴，轴承座，端盖等组成，缸筒上有工质流体入口，出口和串联连接管，入口管和出口管的根部尽可能变粗，以增大启动推力。
[0086] 优选地，活塞轮有一圈或多圈蜂巢状小室作活塞腔，多圈活塞腔串联使用可以获得工质做功的足够位移。
[0087] 优选地，每个活塞腔容积设计成尽可能小并相等，推力面面积设计成尽可能大。
[0088] 优选地，高压膨胀机的做功位移长度要根据膨胀机出口处的工质压力降到接近于零来设计。
[0089] 优选地，活塞轮在缸筒内转动，活塞轮外表面和缸筒内壁形成一个摩擦表面。
[0090] 优选地，每个活塞腔有一个开口，口部有带状密封环安装槽，带状密封环的四周断面呈U型夹层，具有自密封功能。
[0091] 优选地，每圈活塞腔都有一个带状密封环，带状密封环安装在活塞腔外圆面的安装槽中，与缸筒内壁呈精密配合，自密封环与活塞轮之间通过定位键固定。
[0092] 优选地，带状自密封环是开口环，端头呈槽，榫连接，榫的两侧有小弹簧片。
[0093] 优选地，膨胀机还可用于将流体压力能转化为机械功或扭矩输出的领域。
[0094] 相应地，在本发明的第五方面，本发明的构成，两级循环中的冷量和水，组成第一级循环和第二级循环所用的装置描述如下；
[0095] 第一级循环的组件；
[0096] 膨胀机，用高压蒸汽输出机械功和冷量。
[0097] 汽化器，装深冷工质并吸热汽化，产生高压蒸汽。
[0098] 工质泵安装在膨胀机和汽化器之间，将膨胀机出口的深冷工质泵回汽化器。
[0099] 第二级循环的组件；
[0100] 汽化器。
[0101] 空气换热器用来与外部空气换热。
[0102] 循环泵安装在汽化器和空气换热器之间，驱动传热液循环流动。
[0103] 膨胀机，汽化器，工质泵，空气换热器，循环泵经管道连接组成。
[0104] 第一级循环和第二级循环的组成方法；
[0105] 在第一级循环中，汽化器中的深冷液态工质吸热汽化，膨胀为高压蒸汽，此高压蒸汽即为优良的做功气体。进入膨胀机经历绝热膨胀过程，输出功和冷量，工质蒸汽发生绝热焓降，降压降温，直至液化为深冷液体。此深冷液体被工质泵泵回汽化器。
[0106] 在第二级循环中，汽化器是一个共用装置；
[0107] 冷传热液从汽化器循环到空气换热器，与外部空气换热，空气热能被吸收，温度降低变为冷空气，冷传热液吸热升温变为暖传热液，暖传热液循环到汽化器与深冷工质换热，暖传热液的热能被深冷工质吸收，温度降低变为冷传热液。
[0108] 该膨胀机包括一个缸筒，缸筒内有活塞轮，活塞轮上有三圈活塞腔，高压工质流体冲入活塞腔，推动活塞轮转动，输出机械功。
[0109] 相应地，在本发明的第六方面，本发明中的高压膨胀机，包括一个缸筒，缸筒内有活塞轮，活塞轮上有三圈活塞腔，高压工质流体冲入活塞腔，推动活塞轮转动，输出机械功。
[0110] 本发明利用空气热能输出动力，制冷，淡水的冷态发动机或装置由汽化器，高压膨胀机，高压工质泵，空气换热器，循环泵，发电机，管，阀，仪表等可操作相互连接组成。用单原子或双原子气体做工质，根据深冷工质热力–制冷循环和无霜两级换热循环为工作原理，一次性加注深冷液体或高压气体作工质和启动动力，汽化器中的深冷工质吸热汽化，膨胀为高压蒸汽，进入膨胀机推动活塞轮转动，输出机械功和冷量，空气换热器输出制冷，冷凝水和干空气，产生无穷，绿色，免费的能源，制冷和淡水。
[0111] 本发明提供下述方法和装置；
[0112] 1.选用自然的单原子气体(如，氮，氦等)或其混合物(如，空气)或双原子气体(如，CO2)做工质。
[0113] 2.深冷工质热力—制冷循环方法。
[0114] 3.工质气—液相变循环方法。
[0115] 4.无霜两级循环换热方法。
[0116] 5.动力利用方法。
[0117] 6.热能循环利用方法。
[0118] 7.深冷冷量分级利用方法。
[0119] 8.空气水生产方法。
[0120] 9.除湿方法。
[0121] 10.水体热能利用方法。
[0122] 11.高压膨胀机。
[0124] 现通过参考附图来描述本发明：
[0125] 图1是第1循环和第2循环组成的冷态发动机或装置原理图。
[0126] 图2是图1的原理框图。
[0127] 图3是以氮气作工质的第1循环压-焓图。
[0128] 图4是第1循环使用的高压膨胀机外观图。
[0129] 图5是图1中使用的高压膨胀机活塞轮外观图。
[0130] 图6是图4和图5的A-A剖面图。
[0131] 图7是图4和图5的膨胀机(1型)B-B剖面图。
[0132] 图8是图4和图5的膨胀机(2型)B-B剖面图。
[0133] 图9(a)是带状密封环(1型)外观图。
[0134] 图9(b)是带状密封环(1型)B–B剖面图。
[0135] 图9(c)是带状密封环(1型)A–A剖面图。
[0136] 图10(a)是带状密封环(2型)外观图
[0137] 图10(b)是带状密封环(2型)B–B剖面图。
[0138] 图10(c)是带状密封环(2型)A–A剖面图。
[0139] 图11(a)是环状密封垫外观图。
[0140] 图11(b)是环状密封垫A-A剖面图。
[0141] 图12(a)是用于冷态发动机或装置的汽化器外观图。
[0142] 图12(b)是汽化器A-A剖面图。
[0143] 图12(c)是汽化器B-B剖面图。
具体实施方式
[0144] 下述是本发明一种实施例的描述，称为“冷态发动机”或“装置”或“无霜两级循环热力—制冷系统”和“高压膨胀机”。本发明不只这些实施例，显然在本发明的原理内还可能有多种变型和改进型。
[0145] 本发明称为“冷态发动机”或“装置”或“无霜两级换热循环热力—制冷系统”，现参考图1和图2描述如下；
[0146] 本发明由“深冷工质热力—制冷循环”又称“第一级循环”和“无霜两级换热循环”又称“第二级循环”组成，第一级循环和第二级循环偶联组成“无霜两级循环热力—制冷系统”，又称“冷态发动机”或“装置”。
[0147] 从图1和图2可见，第一级循环由下述三个主件组成，即汽化器(1)，高压膨胀机(4)和高压工质泵(6)，这三个组件经管道如图1连接组成，此外，如图1可见，还要安装一些辅件如开关阀(3)，储罐(7)，温度表(11)，压力表(12)，安全阀(13)，放气阀(14)，单向阀(15)和发电机等。膨胀机(4)，工质泵(6)及其连接管的外表面包覆一层绝热层(16)。
[0148] 如图1所示，第二级循环主要由循环泵(8)，空气换热器(9)和汽化器(1)经管道相互连接组成。第二级循环的目的是克服空气换热器表面容易结霜难题，其次是输出制冷，产生冷凝水和具有除湿功能。
[0149] 两个循环，称为第一级循环和第二级循环经汽化器(1)偶联组成无霜两级循环热力—制冷系统或冷态发动机或装置。汽化器里的深冷工质如液氮，液空或液态二氧化碳(CO2)，从汽化器入口(14)加入深冷液体或高压气体作工质和启动动力，
[0150] 第一级循环过程，由下述三个热力过程组成(见图2)。
[0151] IV-V：定压吸热过程
[0152] 汽化器中的深冷液体工质与第二级循环的传热液进行换热，深冷液体工质吸收传热液的热能(此为第一级循环的热输入，是温差传热的自发过程，不耗功)汽化膨胀为
高压蒸汽，温度接近环境温度(如，T1＝300K)，压力达到设定的最大工作压力(如，P1＝
12Mpa)，此高压蒸汽也充满储罐和到开关阀(3)之间的管道。
高压蒸汽，温度接近环境温度(如，T1＝300K)，压力达到设定的最大工作压力(如，P1＝
12Mpa)，此高压蒸汽也充满储罐和到开关阀(3)之间的管道。
[0153] I-II：绝热膨胀过程；
[0154] 汽化器和储罐中的高压蒸汽(初态参数；T1＝300K,P1＝12Mpa)沿管道进入高压膨胀机推动活塞轮转动，输出机械功(是膨胀功，比功大)，高压蒸汽的热能转化为机械功输出后，工质蒸汽的温降与压降呈正比地大幅下降，当工质蒸汽的温度降到液化温区(如，N2，T2，63K-76K；P2，0.1Mpa)，工质蒸汽发生气液相变而液化为深冷液体。因为液态工质是深低温，所以膨胀机输出机械功的同时输出深冷冷量。
[0155] II-III：等熵压缩过程
[0156] 深冷工质沿管道进入高压工质泵(膨胀机，工质泵及其连接管的全部外表面包覆一层绝热层)，被泵进汽化器，又经历定压吸热，汽化膨胀为高压蒸汽的过程。高压工质泵工作过程耗功，因为液态工质几乎无压缩性，升压容易，工质泵消耗的是推进功，比功小(根据计算，大约是膨胀机输出功的5％)。
[0157] 重复上述三个过程，形成“深冷工质热力—制冷循环”或“第一级循环”。
[0158] 图1，图2左边可见，第二级循环是无霜换热循环，在第二级循环中，用水，更好是低冰点(如，-50℃)防冻液做传热液，传热液在循环泵的驱动下循环流动。防冻液与深冷工质换热，热量被深冷工质吸收，防冻液温度降到设定温度(如，-20℃)，冷防冻液循环到空气换热器与空气进行换热，空气热量被吸收，温度降到低温(如，-20℃),此时空气换热器排出的冷空气就是优良冷量，可用于多种制冷用途。当空气温度降到露点温度，空气中的水汽冷凝成水，收集处理即为优质淡水。当防冻液吸收空气热能，温度上升到接近空气温度(如，25℃)，变为暖防冻液，循环到汽化器与深冷工质进行换热，热能传给第一级循环的深冷工质(此为第一级循环的热输入)，防冻液温度下降，变为冷液体。重复这一过程，形成第二级换热循环。
[0159] 总之，在第一级循环过程中，首先深冷工质在汽化器吸热，汽化膨胀为高压蒸汽。此高压蒸汽沿管道进入高压膨胀机，推动活塞轮转动(未显示)输出机械功和冷量。高压
蒸汽的压力能转化为机械功并发生绝热焓降，温度和压力呈正比的大幅下降，当高压蒸汽的温度降到液化温区，发生气—液相变而液化。高压工质泵(6)将液化的工质升压，泵回汽化器(1)经历“定压吸热过程”，汽化膨胀为高压蒸汽，然后进入膨胀机(4)做功。重复上述过程，形成“深冷工质热力—制冷循环”或“第一级循环。
蒸汽的压力能转化为机械功并发生绝热焓降，温度和压力呈正比的大幅下降，当高压蒸汽的温度降到液化温区，发生气—液相变而液化。高压工质泵(6)将液化的工质升压，泵回汽化器(1)经历“定压吸热过程”，汽化膨胀为高压蒸汽，然后进入膨胀机(4)做功。重复上述过程，形成“深冷工质热力—制冷循环”或“第一级循环。
[0160] 图1左边可见，第二级循环是无霜换热循环，在第二级循环中，传热液是水，更好是低冰点(如，-50℃)防冻液，在循环泵(8)驱动下循环流动。空气通过换热器(9)温度下降，排出的冷空气就是优良冷量。当空气温度降到露点温度，空气中的水汽冷凝成水，收集处理即为优质淡水。传热液循环到空气换热器(9)换热后变为暖液体，暖传热液又循环到汽化器(1)换热，暖传热液热能被深冷工质吸收，温度下降变为冷传热液，在循环泵驱动下又循环到空气换热器，形成第二级循环。深冷工质吸热，汽化膨胀为高压蒸汽，导致第一级循环，如上解释了其发生过程。
[0161] 如上解释，两个循环，称为第一级循环和第二级循环，通过汽化器(1)偶联组成“无霜两级循环热力—制冷系统”。从汽化器入口(14)加入液态深冷工质或高压气体作工质和启动动力，为了操作安全，液态工质的加入量要根据汽化器(1)，储罐(7)，管道(2)组成的汽化容积来确定加入量，即深冷液态工质完全汽化膨胀后，只能达到循环系统的最大工作压力。如果是通过汽化器(1)加入高压气体，也只能加到循环系统的最大工作压力。只要循环系统无泄漏，加入的原动力(即加入的深冷液态工质或高压气体)总是留存在循环系统中(像制冷剂长久留存在制冷机中一样)，开阀就启动运转，关阀就停机，阀的开度直接控制工质流量，进而直接控制膨胀机(4)的输出转速和扭矩，如此，膨胀机输出的功或扭矩是无级变速的，不需要变速箱。
[0163] 第一级循环由几个热力过程组成，汽化器(10)中的深冷工质吸收空气热能，汽化膨胀为高压蒸汽，这一过程(定压吸热过程)是温差传热的自发过程，不耗功。高压蒸汽进入膨胀机经历绝热膨胀过程，输出机械功(是膨胀功，比功大)和冷量，高压工质泵将深冷工质升压(等熵压缩过程)泵回汽化器(1)，此过程耗功，是推进功。因为液态工质几乎无压缩性，升压容易，消耗的推进功，比功小。根据理论计算，约占膨胀机(4)输出功的5％。
[0164] 为了强化换热，第二级循环中的循环泵(8)，风扇(9)耗功，也是推进功，比功小。根据理论计算，约占膨胀机输出功的1％。所以，膨胀机输出功减掉工质泵，循环泵，风扇，控制装置等的耗功后，仍有大量净功输出。
[0165] 本发明中，膨胀机输出的机械功是优质能量，(火用，exergy)为100％，可直接用作多种机械的动力，也可转化为电能，热能和其它形式能量应用，因为耗散效应，这些能量应用后最终转化为废热释放到大气中，而大气热能又能被本发明吸收利用，因此形成一种热能应用后既不累积造成热污染，也不会使用耗竭的“热能循环利用方法”。这是一种免费，方便，绿色，无穷的新能源利用技术。
[0166] 绝热膨胀后膨胀机产生的液态工质是深低温，采用相应的换热技术和设备，可实现“深冷冷量的分级利用”(如，空调，21℃—25℃，冷藏，8℃，保鲜，4℃，冷冻，-4℃—-80℃，深冷处理，-120℃—-160℃，空气液化，-186℃—-210℃等)。
[0167] 用自然气体(如，氮气，空气)作工质，应用中即使发生泄漏，对环境也毫无危害，消除了现行制冷剂对环境的危害性，开创了全新的绿色，免费制冷新技术。
[0168] 所有空气都含有水汽，只是湿度不同。当空气通过换热器热交换后，热量被吸收，温度下降到露点温度，空气中的水汽冷凝成水，收集处理后即为优质淡水，这一从空气生产淡水的新方法，将根本解决淡水短缺难题，为人类移居沙漠，海洋等淡水稀缺地区提供了可靠技术。
[0169] 空气中的水汽被冷凝脱水后，空气变为干空气。所以本发明具有除湿功能。
[0170] 所有空气都含有水汽。当空气直接与深冷工质换热，空气换热器表面容易结霜，霜导热不良，引起换热器效能下降，当霜越积越多，将导致换热器完全失效。设计的“无霜两级循环热力–制冷系统”就为解决这一难题。水比热大，易流动。用深冷工质与水换热，水再与空气换热，构成“深冷工质—水—空气”两级换热方法。水温与换热量呈正比，与流量呈反比，换热量直接正比于输出功率，当输出功率确定后，换热量不可调，但是循环水流量可调，通过调节循环水流量来达到所需要的水温，以循环水不冻结，空气换热器表面不结霜为原则。为了节省循环泵耗功和本发明装置能在寒冷地区有效应用，用低冰点(如，-50℃)水基防冻液做传热液更为适宜。
[0171] 实施例1：用氮气作工质
[0172] (见图1，图2和图3)，根据氮气的热物性数据表；
[0173] 液化温区；63.151K～77.335K,
[0174] 临界点；T＝126.19K,P＝3.3978MPa
[0175] I点；T1＝300K,P1＝12Mpa,h1＝291.94Kj/Kg,ρ1＝122.88kg/m3
[0176] II点；T2＝76K,P2＝0.1Mpa,h2＝-124.86Kj/Kg,ρ2＝812.88kg/m3
[0177] III点；T3＝82K,P3＝12Mpa,h3＝-105.82kj/kg,ρ3＝810.9kg/m3
[0178] IV点≈III点
[0179] V点≈I点
[0180] 其中，T＝温度，P＝压力，h＝比焓，ρ＝密度
[0181] 图3是根据上述氮气的热物性数据绘制的压～焓图
[0182] 给第2循环系统加注传热液，同时根据汽化容积，汽化温度算出液氮加入量，通过汽化器(1)入口(14)一次性定量加注液氮到第1循环系统作工质和启动动力。液氮在汽化器(1)中与第2循环的传热液进行换热，液氮吸热汽化为高压蒸汽(T1＝300K，P1＝
12Mpa)，此高压蒸汽充满汽化器(1)，储罐(7)和到开关阀(3)之间的管道。打开开关阀
(3)，高压蒸汽沿管道(2)进入高压膨胀机(4)推动活塞轮转动做功，经历绝热膨胀过程，输出功和深冷冷量，高压蒸汽的压力降到P2＝0.1Mpa，温度相应降到T2＝76K，此时工质温度已降到液化温区(如；N2,63.151K～77.335K)，氮蒸汽发生气/液相变而液化为深冷液
体。
12Mpa)，此高压蒸汽充满汽化器(1)，储罐(7)和到开关阀(3)之间的管道。打开开关阀
(3)，高压蒸汽沿管道(2)进入高压膨胀机(4)推动活塞轮转动做功，经历绝热膨胀过程，输出功和深冷冷量，高压蒸汽的压力降到P2＝0.1Mpa，温度相应降到T2＝76K，此时工质温度已降到液化温区(如；N2,63.151K～77.335K)，氮蒸汽发生气/液相变而液化为深冷液
体。
[0183] 例如：氮气可视为理想气体，根据理想气体绝热膨胀状态方程；当T1＝300K，P1＝12Mpa，P2＝0.1Mpa，k(比热比)＝1.4，终温(T2)可按下式算出；
[0184]
[0185]
[0186]
[0187] 工质泵(6)将膨胀机(4)出口的深冷低压(-196℃，0.1Mpa)液氮升压(压力≥12Mpa)泵入汽化器(压力＝12Mpa)进行定压吸热过程，汽化为体积是原液氮体积的
6.26倍，压力为12Mpa的高压蒸汽。重复这一过程，形成“深冷工质热力～制冷循环”，又称“第1循环”。在第1循环中，高压膨胀机输出机械功和深冷冷量，高压工质泵耗功(是推进功)，因为液态工质几乎无压缩性，升压容易，耗功少，根据理论计算，约占膨胀机输出功的
5％。为了强化换热，第2循环中的循环泵，风扇耗功(是推进功)，根据理论计算，约占膨胀机输出功的1％。
6.26倍，压力为12Mpa的高压蒸汽。重复这一过程，形成“深冷工质热力～制冷循环”，又称“第1循环”。在第1循环中，高压膨胀机输出机械功和深冷冷量，高压工质泵耗功(是推进功)，因为液态工质几乎无压缩性，升压容易，耗功少，根据理论计算，约占膨胀机输出功的
5％。为了强化换热，第2循环中的循环泵，风扇耗功(是推进功)，根据理论计算，约占膨胀机输出功的1％。
[0188] 例如；设计的保证输出功率20Kw的机型，其各种功的理论计算如下；
[0189]
[0190] 考虑到设备效率很难达到100％，电控装置也要消耗一部分电能(大约1％)，再加上一些不可控制的因素，扣除13个百分点作备份，冷态发动机或装置仍有80％的净功输出，第1循环能够实现吸收空气热能，输出有用功的“自持式热力-制冷循环”。从第1循环的压～焓图(图3)可见，空气热能经过吸热汽化，转化为高压蒸汽的压力能，膨胀机进一步将高压蒸汽压力能转化为机械功和冷量输出。
[0191] 人类生活的绝大部分地区，环境温度介于-30℃～+35℃之间，少数寒冷地区的环境温度可能达到-50℃，即便这样，液氮工质(-196℃)与寒冷地区的环境温度仍有大温差，依然可以吸收空气热能，汽化为高压气体(12Mpa)做功。如果是在夏天或热，温带地区使用，冷态发动机或装置输出机械功的同时，还免费提供制冷空调功能。这种免费，方便，绿色，无穷的动力，制冷空调生产技术，将造福人类。
[0192] 工质气/液相变循环方法
[0193] 液氮(-196℃～-210℃)在常温(25℃)环境下吸热汽化后的极限压力很高，可达75Mpa，这就为建立“工质的气/液相变循环”提供了物理基础。
[0194] 根据理想气体绝热膨胀状态方程；T2/T1＝(P2/P1)k-1/k可知,高压氮蒸汽绝热膨胀后，温降正比于压降，所以冷态发动机或装置第一循环的初压(P1)设定原则是；工质经历绝热膨胀后终温(T2)要落在液化温区(如；N2,63.151K～77.355K)内。否则，
初压(P1)太高，终温(T2)太低，终温(T2)将越过液化温区，直接进入氮气的固化温区
(<63.151K)而形成固态氮，固态氮无流动性，将堵塞管道，阻断循环过程。
初压(P1)太高，终温(T2)太低，终温(T2)将越过液化温区，直接进入氮气的固化温区
(<63.151K)而形成固态氮，固态氮无流动性，将堵塞管道，阻断循环过程。
[0195] 反之，如果初压(P1)太低，终温(T2)降不到液化温区，工质仍然是气态。由于工质泵只能泵送液态工质，而不能泵送气态工质，这样第一循环也要被打断。这种情况下，用压缩机来替换工质泵，理论上第一循环能够进行，但是，循环效率和净功输出将大为降低。
[0196] 工质选择：
[0197] 本发明选用自然气体(如；氮气，氦气，空气，CO2等)作工质，这是因为；第一，液态时具有优良的深冷性能，与环境温度存在大温差，能吸收空气热能汽化膨胀为高压气体，高压气体做功性能优良，做功后又能液化，能建立自持式的热力制冷循环。第二，吸热性能优良，比热大，能量密度高(可达300Kj/Kg)。第三，自然无害，随处可取，方便获得。
[0198] 用途
[0199] 本发明可用在很多领域，现将部分用途简述如下；
[0200] 冷量分级应用：第二循环用低冰点(-50℃)防冻液作传热液，空气换热器排出的冷空气经过温度调节，可用作冷却电子设备(如；CPU)，空调(20℃～25℃)，冷藏
(8℃～14℃)，冰箱(4℃～-25℃)等。同理，通过汽化器(此工况下的汽化器要特别
设计)用干空气与第1循环的深冷工质换热，排出的冷空气经过温度调节，可用于；冷冻
(-60℃～-80℃)，材料深冷处理，机加工冷却，冷冻粉碎(-120℃～-160℃)等，直至液化空气(-196℃～-210℃)生产气体产品。
(8℃～14℃)，冰箱(4℃～-25℃)等。同理，通过汽化器(此工况下的汽化器要特别
设计)用干空气与第1循环的深冷工质换热，排出的冷空气经过温度调节，可用于；冷冻
(-60℃～-80℃)，材料深冷处理，机加工冷却，冷冻粉碎(-120℃～-160℃)等，直至液化空气(-196℃～-210℃)生产气体产品。
[0201] 动力利用：高压膨胀机输出的机械功是优质能量，可直接用作多种机械，车，船，飞行器等的动力，也可进一步转化为电，热等能量利用。例如，本发明设计的20Kw机型，适宜用作每户一台，同时提供电力，制冷空调，生产淡水的多功能装置。本发明装置的规模可根据需要设计。例如；可设计制造成微型装置，用作电子设备(如；电脑，手机)，机器人，户外设备等的电力，也可设计建造成大型电站。
[0202] 热能循环利用：空气热能被转化为机械功输出后，还可进一步转化为电，热等能量利用，因为耗散效应，上述能量利用后都将耗散为废热释放到大气中，而大气热能又能被本发明吸收利用，因而创立了“热能循环利用方法”。这样，冷态发动机或装置的大量应用不会造成废热累积形成热污染，也不会引起能源耗竭，将彻底解决能源短缺，环境污染难题。
[0203] 然而，在一些工业用能大户(如；水泥厂，钢铁厂等)，吸收厂区周围的空气热能，转化为电，热等能量利用后将产生大量的废热气体，空气换热器也将排出大量冷气体。因为废热气体的比重小于冷气体，废热气体将上升到大气层上部，而大量冷气将聚集在大气层底部，在空气流动弱的气候条件下，大量冷气聚集在厂区周围，将导致厂区周围低温和小环境气候恶化。因此，对于工业用能大户，应该采用罩式密闭厂房的“闭式热能循环利用方法”，即本发明装置和各种耗能设备均安置在密闭的厂房内，这样，本发明装置吸热，依次转化为机械功，电，热等能量利用后，产生的废热和空气换热器排出的冷气都排在厂房内，这就创立了平衡的“闭式热能循环利用方法”。
[0204] 空气水的生产方法：本发明能够直接利用空气生产淡水。在这种工况下，空气换热器需特别设计(以空气易流通，换热高效，便于冷凝水产生和收集为原则)，根据空气湿度来调节空气换热器的工作温度，使空气温度降到露点温度后，空气中的水汽全部变为冷凝水，收集处理(纯化，矿化)即为优质淡水。例如；本发明的家用20Kw机型，工作在常温(25℃)，相对湿度70％(含湿量；14g/Kg),换热温差+/-20℃，产水率48Kg/h。淡水应用(如，饮用，烹调，清洗，灌溉等)后，形成的废水排放到环境中，由于蒸发作用又进入大气，参与自然水圈循环，空气中的水汽又能被本发明冷凝利用，提供了源源不绝的利用空气生产淡水方法，将彻底解决全球淡水短缺和污染难题。
[0205] 除湿功能利用：当空气通过换热器热交换后，空气中的水汽被冷凝脱水，空气变为干空气。利用本发明装置来循环处理某空间的空气，使其达到所需的湿度水平，因此具有除湿功能。
[0206] 水体热能利用：江，河，湖，海，地下水等水体具有巨大的热能，然而水不如空气方便，随处可取，所以本发明以大气作主要热源。为了利用水体热能，只需将闭式的第2循环改为开式。即将循环泵的入口直接抽吸水源，水循环到汽化器换热即可。适宜作船舶，潜水艇等的动力装置。
[0207] 膨胀机的设计：用于第1循环的膨胀机的设计，详细描述如下；
[0208] 在实施例中所述的高压膨胀机(4)是一种活塞轮膨胀机。
[0209] 如图4至图11所示膨胀机的各种组件。高压膨胀机(4)由筒状缸体(17)，端盖(18)，U型断面密封环垫(19)，活塞轮(20)，带状密封环(21)，轴(22)等组成。筒状缸体(17)外表面有工质流体入口(23)，出口(24)，连接管(25)和机座(26)。工质入口管(23)
和出口管(24)与缸体(17)“呈正切方向连接”，入口管(23)和出口管(24)的根部(27)膨
大，膨大部(27)的横切面积要等于单一活塞腔推力面(34)的面积。这样“便于工质进出和获得最大启动推力”。图4和图6所示，膨胀机(4)的端盖(18)上有轴承座(28)，螺栓孔
(29)和凸台结构(30)，图6所示端盖(18)的凸台结构(30)更为清晰。装配后，端盖(18)
的凸台结构(30)嵌入缸体(17)端头凹槽，可以获得良好的“固定，密封和同心度功能”。膨胀机(4)缸体(17)端头与端盖(18)之间的缝隙靠安装U型断面密封环垫(19)来实现密
封，密封环垫(19)在图11(a)和(b)有清晰显示。
和出口管(24)与缸体(17)“呈正切方向连接”，入口管(23)和出口管(24)的根部(27)膨
大，膨大部(27)的横切面积要等于单一活塞腔推力面(34)的面积。这样“便于工质进出和获得最大启动推力”。图4和图6所示，膨胀机(4)的端盖(18)上有轴承座(28)，螺栓孔
(29)和凸台结构(30)，图6所示端盖(18)的凸台结构(30)更为清晰。装配后，端盖(18)
的凸台结构(30)嵌入缸体(17)端头凹槽，可以获得良好的“固定，密封和同心度功能”。膨胀机(4)缸体(17)端头与端盖(18)之间的缝隙靠安装U型断面密封环垫(19)来实现密
封，密封环垫(19)在图11(a)和(b)有清晰显示。
[0210] 详细描述活塞轮(图5)结构如下；活塞轮(20)外圆周有3圈活塞腔(31)，见图5和图6，按照机体紧凑和获得足够做功位移的原则来设计活塞腔圈数。3圈活塞腔(31)通
过连接管(25)串联连接使用，可以获得高压膨胀机“定容做功过程的足够位移”。
过连接管(25)串联连接使用，可以获得高压膨胀机“定容做功过程的足够位移”。
[0211] 在保证结构强度的原则下，单个活塞腔(32)容积(V)尽可能小，也就是说，尽可能增加活塞腔的数量，数量增多，单个活塞腔容积就相应缩小，活塞腔的推力面(34)尽可能大，边长尽可能长。这是因为；H(焓)＝U+PV，W(功)＝FS,F(力)＝PA，要使高压气体的焓(H)在足够位移(S)内全部转化为功(W)，就是使H＝W，即；U+PV＝FS，当冷态发动机的功率和最大工作压力确定之后，U(内能)和P(压力)即高压蒸汽工质的初态参数(H1,P1)
不可调，但是，V(容积)，F(力)，A(面积)等参数可调，通过缩小单个活塞腔容积(V),进而依次增大边长(L)--推力面积(A)--作用力(F)，这样可以获得最短的足够位移(S)，结
果获得紧凑的膨胀机机体，方便应用。
不可调，但是，V(容积)，F(力)，A(面积)等参数可调，通过缩小单个活塞腔容积(V),进而依次增大边长(L)--推力面积(A)--作用力(F)，这样可以获得最短的足够位移(S)，结
果获得紧凑的膨胀机机体，方便应用。
[0212] 图9(a)～(c)显示的是由多个方形小环(35)相嵌连接组成的带状密封环(1型，21)，图5，6显示活塞腔(31)外圆面有密封环安装槽(33)，方形小环(35)依次安装在槽
(33)内，最后组成一圈1型密封环(21)。密封环(21)外径(R1)与缸体(17)内径(R2)相
同，这样密封环(21)外表面紧贴缸体(17)内表面。同理，带状密封环(21)内径(R3)与活
塞环安装槽(33)的外圆面直径(R4)相同，呈精密配合。
(33)内，最后组成一圈1型密封环(21)。密封环(21)外径(R1)与缸体(17)内径(R2)相
同，这样密封环(21)外表面紧贴缸体(17)内表面。同理，带状密封环(21)内径(R3)与活
塞环安装槽(33)的外圆面直径(R4)相同，呈精密配合。
[0213] 方形小环(35)两端有榫(36，见图9)，相互拼接嵌入活塞轮(20)上的槽(37，见图5)中，这样运转时不会发生错位。方形小环(35)内一周有自密封夹层(38，见图9)。方形小环(35)内壁(39,40)是弹性薄壁，当通过箍力安装，方形小环(35)薄壁(39,40)将紧
贴安装槽(33)表面。运转时，高压蒸汽充满活塞腔(32)和方形小环(35)的自密封夹层
(38)，在流体压力作用下向顶，底，侧3面膨胀挤压，相互紧贴，从而获得优良的弹性自密封性能。密封环(35)的外圆面(42)是摩擦表面，冷态发动机长期运转后会出现磨损，配合精度下降，在此情况下，密封环在薄壁(39,40)弹力和流体压力的双重作用下放射性膨胀，紧贴缸体(17)内壁和安装槽(33)表面，从而获得弹性自密封和磨损自动补偿功能。
贴安装槽(33)表面。运转时，高压蒸汽充满活塞腔(32)和方形小环(35)的自密封夹层
(38)，在流体压力作用下向顶，底，侧3面膨胀挤压，相互紧贴，从而获得优良的弹性自密封性能。密封环(35)的外圆面(42)是摩擦表面，冷态发动机长期运转后会出现磨损，配合精度下降，在此情况下，密封环在薄壁(39,40)弹力和流体压力的双重作用下放射性膨胀，紧贴缸体(17)内壁和安装槽(33)表面，从而获得弹性自密封和磨损自动补偿功能。
[0214] 图9(a)显示，方形小环(35)两端通过槽(44)，榫(43)连接组成一圈密封环，在槽(44)的内侧有小弹簧片(45)，安装后会紧贴榫(43)的两侧，也有自密封性能，能降低端头连接处泄漏。
[0215] 图10(a)～(c)显示另一种密封环(21’，2型)，与图9显示的I型密封环(21)不同，图10显示的这一型密封环是由整片金属材料制成，密封环的外径(R5)与缸体(17)内
径(R2)相同，密封环(21’)外表面与缸体(17)紧贴配合。密封环(21’，图10)内径(R6)
与密封环安装槽(33，图6)表面直径(R4)相同，密封环(21’，图10)的结构与多个方形小环组成的密封环(21，图9)的结构相同，密封环(21’，图10)的两端也是槽(47)榫(46)形式连接，结构形式与密封环(21，图9)相同，槽(47)的两侧有小弹簧片，安装后也具有优良的弹性自密封性能。
径(R2)相同，密封环(21’)外表面与缸体(17)紧贴配合。密封环(21’，图10)内径(R6)
与密封环安装槽(33，图6)表面直径(R4)相同，密封环(21’，图10)的结构与多个方形小环组成的密封环(21，图9)的结构相同，密封环(21’，图10)的两端也是槽(47)榫(46)形式连接，结构形式与密封环(21，图9)相同，槽(47)的两侧有小弹簧片，安装后也具有优良的弹性自密封性能。
[0216] 图10可见，密封环(21’)两侧有多个半圆形定位键孔(50)，与活塞轮上密封环安装槽(33)的半圆形定位键孔(51)呈精密配合，装配后两个半孔合成一个完整的圆形定位键孔(51)，插入定位键，这样，运转时密封环(21’)不会发生错位。
[0218] 汽化器设计：
[0219] 图12显示，这一型汽化器(1)是集束式管壳结构，即在高压钢管(57)内安置若干翅片管(55)，因为汽化器(1)是用在深冷(-196～-210℃)高压(≥12Mpa)工况，所
用材料应具有高强度和优良的耐低温性能，如低温钢，不锈钢和高强铝合金等。翅片管
(55)选用导热性能优良材料制造，如紫铜，铝合金等，汽化器(1)由翅片管(55)，高压封头(56)和高压钢管(57)等焊接组成，在汽化器的两侧设置有流体入口(59，61)和出口(60，
62)，分别连接第1循环和第2循环。汽化器(1)一侧的入口(61)，出口(62)连接第1循
环系统，另一侧的入口(59)，出口(60)连接第2循环系统。当第1循环的高压深冷(P＝
12Mpa，-196～-210℃)工质流经汽化器壳侧(57)，这时是翅片管外部承压，似拱形承压大的原理。这样设计，翅片管承压大，外表面换热面积大。第2循环的低压(P＝0.1Mpa)传
热液流经翅片管(55)内，翅片管内壁换热面积小，但是传热液的比热大，换热量大，如此设计的气～液换热方式比较协调，能获得良好的换热效果。
用材料应具有高强度和优良的耐低温性能，如低温钢，不锈钢和高强铝合金等。翅片管
(55)选用导热性能优良材料制造，如紫铜，铝合金等，汽化器(1)由翅片管(55)，高压封头(56)和高压钢管(57)等焊接组成，在汽化器的两侧设置有流体入口(59，61)和出口(60，
62)，分别连接第1循环和第2循环。汽化器(1)一侧的入口(61)，出口(62)连接第1循
环系统，另一侧的入口(59)，出口(60)连接第2循环系统。当第1循环的高压深冷(P＝
12Mpa，-196～-210℃)工质流经汽化器壳侧(57)，这时是翅片管外部承压，似拱形承压大的原理。这样设计，翅片管承压大，外表面换热面积大。第2循环的低压(P＝0.1Mpa)传
热液流经翅片管(55)内，翅片管内壁换热面积小，但是传热液的比热大，换热量大，如此设计的气～液换热方式比较协调，能获得良好的换热效果。
[0220] 空气换热器(9)
[0221] 空气与传热液在空气换热器热交换，空气热能被传热液吸收，空气温度降低变为冷空气，这就输出了冷量，产生“制冷功能”。当空气温度降到露点温度，空气中的水汽冷凝成水，这就产生了淡水，具有“产水功能”。空气中的水汽被冷凝脱水后，空气变为干空气，这就具有“除湿功能”。传热液吸热后温度升高变为暖液体，循环到汽化器与第1循环的深冷工质换热，热量传给第1循环。
[0222] 如图2显示，将第1循环中的工质和第2循环中的传热液在各点的参数描述如下；
[0223] 第1循环：
[0224] I点–暖蒸汽，温度＝300k,压力＝12Mpa，比重＝112.88Kg/m3，
[0225] 比焓＝291.49Kj/Kg
[0226] II点-深冷液体，温度＝76K，压力＝0.1Mpa，比重＝812.8Kg/m3,
[0227] 比焓＝-124.86Kj/Kg
[0228] III点-深冷液体，温度＝82K，压力＝12Mpa，比重＝810.9Kg/m3,比焓＝105.82Kj/Kg。
[0229] 在汽化器与膨胀机之间；V ≈ I
[0230] 在工质泵与汽化器之间；IV ≈ III
[0231] 第2循环：
[0232] a点；暖液体，温度300K，压力＝0.04Mpa。
[0233] b点；冷液体，温度250K，压力＝0.01Mpa。
[0234] c点；冷液体，温度＝250K，压力＝0.05Mpa。
[0235] 部件表：
[0236] 1.汽化器
[0237] 2.管道
[0238] 3.开关阀
[0239] 4.膨胀机
[0240] 5.发电机
[0241] 6.工质泵
[0242] 7.储罐
[0243] 8.循环泵
[0244] 9.空气换热器
[0245] 10.风扇
[0246] 11.温度表
[0247] 12.压力表
[0248] 13.安全阀
[0249] 14.放气阀
[0250] 15.单向阀
[0251] 16.绝热层
[0252] 17.筒状缸体
[0253] 18.端盖
[0254] 19.U型密封环垫
[0255] 20.活塞轮
[0256] 21.带状密封环(1型)
[0257] 21’.带状密封环(2型)
[0258] 22.轴
[0259] 23.工质流体入口
[0260] 24工质流体出口
[0261] 25.连接管
[0262] 26.机座
[0263] 27.工质进出口膨大部
[0264] 28.轴承
[0265] 29.螺栓孔
[0266] 30.凸台结构
[0267] 31.三圈活塞腔
[0268] 32.单个活塞腔
[0269] 33.密封环安装槽
[0270] 34.推力面
[0271] 35.密封方形小环
[0272] R1:带状密封环(1型)外径
[0273] R2:缸体内径
[0274] R3:带状密封环(1型)内径
[0275] R4:密封环安装槽外径
[0276] R5:带状密封环(2型)外径
[0277] R6:带状密封环(2型)内径
[0278] 36.榫
[0279] 37.槽
[0280] 38.自密封夹层
[0281] 38’.自密封夹层
[0282] 39.弹性薄壁
[0283] 39’.弹性薄壁
[0284] 43.榫
[0285] 43’.榫
[0286] 44.卯
[0287] 45.小弹簧片
[0288] 46.榫
[0289] 47.槽
[0290] 48.小弹簧片
[0291] 50.定位键孔(半圆)
[0292] 51.定位键孔
[0293] 53.轴的一端
[0294] 54.轴的另一端
[0295] 55.翅片管
[0296] 57.高压壳体(汽化器)
[0297] 58.集束式结构(汽化器)
[0298] 59,61:入口(汽化器)
[0299] 60,62:出口(汽化器)
[0300] I.汽化器出口的工质状态参数
[0301] II.膨胀机出口的工质状态参数
[0302] III.工质泵出口的工质状态参数
[0303] a.空气换热器与汽化器之间的暖液体
[0304] b.汽化器与循环泵之间的冷液体
[0305] c.循环泵与空气换热器之间的冷液体
[0306] 优越性
[0307] a)创立了新的深冷工质热力-制冷循环。
[0308] b)创立了新的无霜两级换热循环。
[0309] c)选用自然气体作工质，水或低冰点防冻液作传热液。
[0310] d)发明了新的高压膨胀机，能将高压流体压力能转化为机械功或扭矩输出。
[0311] e)膨胀机输出的机械功是无级变速的。
[0312] f)设计的汽化器能胜任深冷高压工况。
[0313] g)能利用空气热能输出机械功，制冷，淡水。
[0314] h)产生优良的深冷冷量，可用于很多制冷领域。
[0315] i)创立了热能循环利用方法。
[0316] j)具有除湿功能。
[0317] k)创立了利用空气生产淡水的方法。
[0318] l)本发明可在陆，海，空四季使用。
[0319] m)本发明可利用水体热能。
[0320] n)本发明可用于工业用能大户，并且是采用闭式热能循环利用方法。
[0321] O)本发明可用于每户一台的供能，制冷空调，生产淡水装置。
[0322] P)彻底解决能源，淡水短缺和环境污染难题。
[0323] 变型
[0325] 本说明书多处用到“装置”和“冷态发动机”这两个词，它们是同义可互换的，参考“无霜两级循环热力—制冷系统”包括“深冷工质热力—制冷循环”或“第一级循环”和“无霜换热循环”或“第二级循环”。
[0327] 本发明的这些以及别的特征和特点，或者操作方法，有关结构原件的功能，部件组合，制造的经济性，考虑了下述描述和参考附图后将变得更为清楚，本说明书的有关部分，还要参考各种附图中相关部分的标注号码。
[0328] 以下描述的目的，词条“较高”，“较低”，“右”，“左”，“垂直”，“水平”，“顶部”，“底部”，“侧面”，“纵深”和派生词等是按本发明附图排列方向描述的。显然本发明还包括多种变型，特别表述的除外。附图中显示的特定设备和说明书的描述是本发明的简单示范实施例，所以有关实施例披露的特定三维尺寸和物理特征不能认为是有限的。
[0329] 甚至在首选的实施例中，显示外活塞腔与内活塞腔分离，还可有几种变型。
[0330] 例如，外活塞腔与内腔合并组成一个大的单一筒状腔室，沿活塞轴圆周分布，也可以每圈活塞腔不再分内外腔，并成一个，延伸到轴。
[0331] 设计的高压膨胀机(9)输出机械功，可直接用作车，船，飞行器和多种机械的动力，也可转化为电能，热能应用。
[0332] 本发明装置根据用途，规模大小可按需要设计，可设计制成微型便携式电源，大型电站，也可设计制成每户一台的供能，产水，制冷空调多功能设备。本发明装置还可设计制成大型工业耗能用户如钢铁厂，水泥厂等的供能设备，但应采用闭式热能循环利用方法。本发明装置能利用水体(如，江河，湖，海等)热能做功，所以，可制成舰船，潜水艇等的动力装置。高压工质流体的做功位移长度要根据膨胀机出口工质压力(P2)接近于零来设计。
[0333] 虽然显示的外活塞腔(31)和内活塞腔(32)有很多凹槽，缩小内活塞腔(32)甚至取消掉，只留外活塞腔(31)。带状密封环的密封小环数量可以变化，适合相应需要。
[0334] 泵，风扇，入口，出口，阀和温度表等的数量按需要配置。
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