所描述的实施方式涉及一种流体泵，更具体地，涉及使用于具有锅炉 和热力发动机的热系统中的流体泵。

热力学中已知，热力发动机需要工作流体自冷却散热器或发动机排放 装置循环到例如锅炉等的热源。流体泵用于此目的。

还如本领域公知的，通常用在这种热系统中的兰金循环(Rankine Cycle)需要相变，来将工作流体自散热器或发动机排放装置的低压水平 转变成锅炉的高压水平。换句话说，在工作流体的低压蒸汽被抽回到锅炉 的高压水平中以进行再循环之前，其必须被冷却成液体。在兰金循环期间， 然后，必须使用冷凝器旋管来冷却发动机排放装置之后的半饱和低压蒸 汽，使得所述蒸汽能够相变到液态。所冷却的液体随后被抽回到高压锅炉 中，以重新再次加热到蒸汽态，因此需要从液体回到蒸汽的相变。需要大 量的附加热输入来将此液体再次加热和再次汽化成蒸汽，这引起循环热效 率中的大量损失。

发明内容

在一个实施方式中，提供一种流体泵(fluid pump)，其将流体自低 压状态的所述流体的第一流体源移动到高压状态的所述流体的第二流体 源，所述流体泵包括：室；分隔构件，其在所述室中可移位(displaceable)， 以及将所述室分隔成可变体积的第一子室和第二子室；所述第一子室具有 开口，其可与所述第二流体源或第三流体源可控地连通(communicable)； 所述第二子室具有入口开口和出口开口，其可分别与所述第一和第二流体 源可控地连通；以及冷却元件，其用于冷却所述第一子室中的流体。

在另一个实施方式中，提供一种流体泵，其将流体自处于低压状态的 所述流体的第一流体源移动到处于高压状态的所述流体的第二流体源，所 述流体泵包括：第一和第二室；第一分隔构件，其在所述第一室中可移位， 以及将所述第一室分隔成可变体积的第一子室和第二子室；第二分隔构 件，其在所述第二室中可移位，以及将所述第二室分隔成可变体积的第三 和第四子室；所述第一和第四子室中的每一个具有开口，其可与所述第二 流体源或第三流体源可控地连通；所述第二和第三子室中的每一个具有入 口开口和出口开口，其可分别与所述第一和第二流体源可控地连通；以及 冷却元件，其用于冷却所述第一和第四子室中的流体，从而降低所述第一 和第四子室中的流体压力，并分别在所述第二和第三子室中产生吸力，以 便将低压流体从所述第一流体源分别吸入所述第二和第三子室；其中，所 述第一流体源始终与所述第二和第三子室中的至少一个经由相应的入口 开口而流体连通，由此使低压流体基本不断地自所述第一流体源吸出。

在另一个实施方式中，提供一种流体泵，其将流体自处于低压状态的 所述流体的第一流体源移动到处于高压状态的所述流体的第二流体源，所 述流体泵包括：室，其可与所述第一和第二流体源可控地连通；锁定元件， 其用于使所述室一次仅仅与所述第一和第二流体源中的一个连通；以及抽 吸元件，其用于在所述室中产生吸力，以及当所述锁定元件将所述室与所 述第一流体源连通且将所述室与所述第二流体源隔离时，将低压流体从所 述第一流体源吸入所述室；所述锁定元件进一步用于将捕获(trap)在所 述室中的所吸入的低压流体与所述第一流体源隔离，以及然后将所述室与 所述第二流体源连通，从而使所捕获的低压流体移动到所述第二流体源。

在另一个实施方式中，提供一种系统，包括：锅炉，其用于供给高压 流体；发动机，其连接到所述锅炉，依靠所述高压流体运行，以及排放低 压状态的所述流体；以及流体泵，其用于将低压流体从所述发动机的排放 装置返回到所述锅炉，所述流体泵包括：室；分隔构件，其在所述室中可 移位，以及将所述室分隔成可变体积的第一子室和第二子室；所述第一子 室具有开口，其可与所述锅炉或另一个流体源可控地连通；所述第二子室 具有入口开口和出口开口，其可分别与所述发动机排放装置和所述锅炉可 控地连通；以及冷却元件，其用于冷却所述第一子室中的流体，从而降低 所述第一子室中的流体压力，并在所述第二子室中产生吸力，以将低压流 体从所述发动机排放装置吸入所述第二子室，当所述出口开口打开时，低 压流体从所述第二子室进一步移动到所述锅炉。

在另一个实施方式中，提供一种方法，其将流体自处于低压状态的所 述流体的第一流体源抽送到处于高压状态的所述流体的第二流体源，所述 方法包括以下步骤：提供具有分隔构件的室，所述分隔构件在其中可移位， 以及将所述室分隔成可变体积的第一子室和第二子室；冷却所述第一子室 中的流体介质以降低所述第一室中的压力，引起所述分隔构件移动来扩大 所述第二子室，从而在所述第二子室中产生吸力；将所述第二子室与所述 第一流体源连通，从而通过所产生的吸力将低压流体吸入所述第二子室； 使所述第二子室与所述第一流体源隔离，以及然后将所述第二子室与所述 第二流体源连通，从而使所吸入的低压流体移动到所述第二流体源且不发 生相变。

所公开的实施方式的其它方面和优点，部分在下面的说明中陈述，以 及部分从所述说明中显而易见，或可以通过实践所公开的实施方式来了 解。利用所附权利要求中具体指出的手段和组合，也可实现和获得所公开 的实施方式的方面和优点。

附图说明

在附图的图形中，通过示例而非限制性地说明了所描述的实施方式， 其中具有相同标号指示的元件始终表示相同的元件，以及其中具有相同标 号指示的元件表示相同的元件。

图1为根据一个实施方式的热系统的示意图。

图2为根据另一个实施方式的流体泵的示意图。

图3为根据另一个实施方式的流体泵的示意图。

图4A-4G为根据另一个实施方式的流体泵的横截面图。

图5为根据另一个实施方式的流体泵的横截面图。

图6为根据另一个实施方式的流体泵的横截面图。

图7为根据另一个实施方式的流体泵的横截面示意图。

图8为根据另一个实施方式的流体泵的横截面示意图。

详细说明

在下面详细的说明中，出于解释的目的，陈述了许多具体细节以提供 对实施方式的全面理解。然而，很清楚，没有这些具体细节，也可实施所 述实施方式。在其它情况下，示意性地显示公知的结构和设备以简化附图。

图1为热系统1000的示意图，其中使用了根据所公开的实施方式的 流体泵。在一个实施方式中的系统1000包括锅炉1001、发动机1003和 流体泵1007。

锅炉1001为闭式容器，在一个实施方式中，工作流体在压力下在其 中加热。受热的工作流体的蒸汽或汽现在处于高压状态，然后循环离开锅 炉以在发动机1003中使用。在一个实施方式中，锅炉1001的热源1002 可以为例如木材、煤、油、天然气等任何类型矿物燃料的燃烧。在另一个 实施方式中，热源1002还可以为太阳能的、电的、原子核能的，等等。 热源1002可进一步为自例如汽车排放装置或工厂烟囱等其它过程所排放 的热。

发动机1003是依靠受热工作流体运行的类型。因而，发动机1003为 热力发动机，其例如经由输出机构1006将受热工作流体的能量转变成有 用功，所述输出机构1006可以为曲柄轴或发电机等。受热工作流体经由 入口阀1004进入发动机1003，以及经由排放装置或散热器1005自发动 机1003排出。在热从锅炉1001传输到散热器1005的传输期间，一些热 通过输出机构1006转变成有用功。发动机1003的例子包括，但不局限于， 在本说明书的开始部分所列举的专利和申请中所公开的多汽缸单流式发 动机，特别是美国专利No.5,806,403和6,505,538。

使用于所公开的实施方式中的工作流体可以为可用于热力发动机中 的任何类型的工作流体。例子包括，但不局限于，水、空气、氢、氦。在 一个实施例中，使用R-134作为工作流体。在另一个实施方式中，使用约 212的氦。

提供流体泵1007，用于迫使处于低压状态的工作流体从散热器1005 移动回到处于高压状态的锅炉1001。

如上所述，当使用兰金循环时，冷凝器1008连接到散热器1005的下 游(图1的虚线)，以便在将低压工作流体从散热器1005转变到锅炉1001 的高压水平之前执行相变。换句话说，在散热器1005中的低压工作蒸汽 在被抽回到高压锅炉中以重新再次加热到蒸汽态之前，在冷凝器1008中 冷却到液态。因此，需要大量的额外热输入将冷凝的液体再次加热成蒸汽， 这引起循环热效率中的大量损失。

本文下面描述的实施方式的流体泵允许使用斯特林循环(Stirling Cycle)，斯特林循环不需要相变。而是，允许发动机排放装置即散热器 1005中的低压流体半饱和蒸汽不经过相变，就通过流体泵1007转变回到 锅炉1001的高压，从而使工作流体的蒸汽能够再次用于驱动发动机1001。 因为这是由于回避上述相变而发生的，所以整个热系统1000的热力学效 率显著增加。根据本文下面描述的实施方式的流体泵1007包括斯特林循 环装置，其将在发动机排放装置即散热器1005中积聚的低压流体蒸汽转 变回到锅炉1001的高压水平，而不存在低压蒸汽到液体的相变。然而， 应注意，所公开的实施方式的流体泵并不局限于仅仅抽送蒸汽；所公开的 实施方式的流体泵可抽送通常存在于发动机排放装置1005中的液体和/或 液体和蒸汽的混合物。

图2为根据一个实施方式的流体泵1007的示意图。流体泵1007包括 室2101，其由可移位的分隔构件2104分隔成两个子室2102、2103。第一 子室2102和第二子室2103经由可控开口与锅炉1001连通，在一个实施 方式中，所述可控开口通过出口阀2105关闭/打开。第二子室2103进一 步经由另一个可控开口与散热器或发动机排放装置1005连通，在一个实 施方式中，所述另一个可控开口通过入口阀2106关闭/打开。阀2105、2106 受阀控制机构2107控制(图2中的虚线)。流体泵1007还包括冷却系统 2008，其用于冷却第一子室2102中的流体介质。

如下面更详细地描述，在发动机排放装置1005中的工作流体的低压 蒸汽被吸进第二子室2103。第二子室2103的体积随着分隔构件2104的 移位移动而扩大。在分隔构件2104的背部，来自锅炉1001的高压蒸汽已 注入第一子室2102。所注入的高压蒸汽然后被冷却系统2108隔离和冷凝， 这产生对分隔构件2104的抽吸，因此引起使低压蒸汽自冷凝器的散热器 或发动机的排放装置1005进入第二子室2103的抽吸作用。当第二子室 2103充满所抽吸的低压蒸汽时，然后第二子室2103被隔离，并且在第二 子室2103中的所抽吸的低压蒸汽和在第一子室2102中的冷凝蒸汽都向锅 炉1001的高压蒸汽开放。分隔构件2104两边的压力相等，这允许分隔构 件2104返回和压缩第二子室2103。因此，自发动机排放装置1005吸入 第二子室2103的给定体积的低压蒸汽被自锅炉1001进入第二子室2103 的相同体积的高压蒸汽代替。因此，在给定体积的低压蒸汽中的相当部分 的工作流体被传送到锅炉1001的高压蒸汽侧。

应注意，流体泵1007的效率由下面的公式确定：

δ＝Q1/(Q1+Q2)

其中δ＝效率，Q1＝用于将冷凝器散热器或发动机排放装置1005的 给定质量的低压蒸汽自其低压升高到锅炉1001的高压所需要的热量，以 及Q2＝用于冷却由第一子室2102所消耗的来自锅炉1001的相等质量的高 压蒸汽所需要的热量。在使用212的氦和斯特林循环的非限制性示例性 实施方式中，效率按如下公式计算：

Q1＝Δh212°-h120°

Q2＝(d480psi/d150psi)×(Δh212°-h100°)

δ＝Q1/(Q1+Q2)

  ＝Δh212°-h120°÷[(d480psi/d150psi)×Δh212°-h100°+Δh212°-h120°]

其中δ＝效率，Δh212°-h120°＝将给定质量的氦从150psi升高到480psi 所需要的热，Δh212°-h100°＝将相等质量的氦自480psi冷却到100psi所消耗 的热，以及d480psi/d150psi＝480psi的氦密度与150psi的氦密度之比。

值得注意的是公知的高压蒸汽特征，即当此蒸汽冷却时，其体积减小。 值得注意地，当所述蒸汽冷却以及转变到液态，那么其体积显著减少。依 赖于正使用的工作流体的类型以及其压力和温度，工作流体的液态体积可 仅为其蒸汽体积的几百分之一。

现在参照图2描述流体泵1007的一个操作循环。假定循环始于出口 阀2105的打开(入口阀2106保持关闭)，这允许来自锅炉1001的高压 蒸汽充满第一子室2102和第二子室2103。第一子室2102和第二子室2103 中的压力是相等的，因此，分隔构件2104呈现如图2所示的其初始位置。

接下来，出口阀2105关闭，将适量的高压蒸汽捕获在第一子室2102 中。冷却系统2108充当冷凝器，其冷却所捕获的工作流体的蒸汽，以减 少其体积，并且因而减少其压力。在一个实施方式中，冷却系统2108构 造成将所捕获的工作流体的蒸汽冷却成液态，因此大大减少了其在第一子 室2102中的体积，并且因而减少其压力。因此，分隔构件2104由第一子 室2102和第二子室2103之间的压力差移动，以使第二子室2103的体积 扩大，如图2的箭头A所示。随后，第二子室的压力由于其体积扩大而 降低。

进一步地，入口阀2106打开，同时出口阀2105保持关闭。因为第二 子室2103中的压力由于其体积扩大而已被降低，因此在第二子室2103中 产生抽吸力(suction force)，以将低压蒸汽自发动机排放装置1005吸入 第二子室2103。应注意，尽管发动机排放装置1005处的蒸汽被称为“低 压蒸汽”，然而其压力必须仍比膨胀的第二子室2103中的压力高，以使流 体泵1007正确运行。当入口阀2106随后关闭时，适量低压蒸汽被捕获在 第二子室2103中。

所述循环现在返回到起始步骤，即出口阀2105打开，同时保持入口 阀2106关闭。此外，来自锅炉1001的高压蒸汽进入并充满第一子室2102 和第二子室2103。在第二子室2103，发生等体积交换，即捕获体积的低 压蒸汽被来自锅炉1001的相同体积的高压蒸汽代替。如上所述，这种等 体积交换使相当部分的所捕获的低压蒸汽向锅炉1001移动。在第一子室 2102，进入的高压蒸汽给第一子室2102提供新充满的高压蒸汽用于下一 个循环。分隔构件2104将由于压力均化(pressure equalization)而向起始 位置移动，如箭头B所示。

现在应理解，由于工作流体自高压蒸汽态冷却到冷却的液态所引起的 第一子室2102的体积减少，是将冷凝器散热器1005的低压蒸汽吸入第二 子室2103的驱动力，如上所述。

现在应进一步理解，自低压冷凝器散热器1005到第二子室2103的所 吸入的体积，可通过上述的等体积交换转换成高压锅炉压力。

应注意，尽管在一些实施方式中，捕获在第一子室2102的高压蒸汽 可以冷却到液态，即经历相变，然而捕获在第二子室2103中的低压蒸汽 基本保持其蒸汽态，而不经历相变。因此，工作流体可自发动机排放装置 1005被抽送到锅炉1001，而不经历汽到液相变，由此节省再次将冷却的 液体重新加热成蒸汽所必需的额外的热。在一些其它实施方式中，捕获在 第一子室2102中的高压蒸汽(例如氦)也被冷却而不经历相变，在此情 况下，在第一子室2102中的冷却蒸汽以类似于捕获在第二子室2103中的 低压蒸汽的方式倾卸到锅炉1001。在一些其它实施方式中，使用R-134a 作为工作流体，在第一子室2102中存在相变，以最大化第二子室2103中 的抽吸。

应进一步注意，在上述循环系统中的阀2105、2106和阀控制机构2107 像运河水闸(canal lock)的闭锁系统那样地工作。具体地，在低压锁紧阀 (入口阀2106)打开并将负载(来自发动机排放装置1005的低压蒸汽) 释放到锁紧室(第二子室2103)之前，高压锁紧阀(出口阀2105)关闭。 然后，在低压锁紧阀(入口阀2106)关闭之后，高压锁紧阀(出口阀2105) 打开，由此将捕获在锁紧室(第二子室2103)中的低压蒸汽释放到锅炉 1001。类似于运河水闸，低压侧(发动机排放装置1005)和高压侧(锅 炉1001)总是彼此隔离的。

相比当使用兰金循循环时的热力学效率，使用根据上述实施方式的流 体泵并且利用斯特林循环的整个热系统1000的热力学效率被显著增加。 所述系统的效率为 其中发动机1003的消耗为功输出W，以 及所需要的热输入为Q。在很具体的实施例中，氦用作工作流体以驱动发 动机1003和流体泵1007，当其通过发动机并自例如480psi冷却到约100psi 时，体积减少量为2.482倍。这意味着，约2.5倍的更多体积必须被抽回 到锅炉1001，以保持由发动机1003所消耗的等效质量循环。这意味着， 由分隔构件2104的移动所引起的体积位移，必须是来自锅炉1001的用于 发动机1003所消耗的体积的约2.5倍，以便将等量的蒸汽抽回到锅炉 1001。在一个实施方式中，在流体泵1007中冷凝器2108的冷却介质为约 57的水。所需要的温度范围为从212到约70，这意味着，压力下降 为从约480psi到约80psi。此温度下降每冲程消耗180Btu/lbm。因此，将 相等的质量自排放装置散热器1005抽送到锅炉1001必需的总热损失为 180Btu/lbm×2.482或447Btus/lbs加上增加由发动机1003所消耗的热量， 即142Btu。补充所述损失必须增加的热量为447Btu/lbs加上142Btu或需 要的总热输入为589Btu/lbs。注意，发动机1003的热损失为142Btu/lbm， 若发动机的效率为85％以及流体泵的效率为85％，那么系统效率 为(142/589)×(0.85)×(0.85)或17.4％。

然而，若使用R-134a，那么当其自200500psi冷却到80101psi 时，体积减少量为7.09倍，这意味着，在压力下降期间流体泵1007必须 抽送超过7倍，以传送由发动机1003使用的等量的质量。发动机1003的 焓损失为约4.78Btu/lbm。驱动流体泵1007的热损失为7.09×5.97Btu/lbm 或42.327。若发动机的效率为85％，以及流体泵的效率为85％，那么对 于R134a的系统效率 为(4.78/47.11)×(.85)×(.85)或7.33％。即 使，若使用具有再生(即相变)的传统兰金循环，那么考虑到传统的兰金 循环由于状态自蒸汽改变到液态将受到至少80Btu的损失，因此其难于通 过再生和热输入实现这种效率。若使用R-134a作为工作流体，传统兰金 循环的80Btu损失与示例性流体泵的47.11损失相比，证明实现了80/47.11 或170％更高效率的系统。

图3为根据另一个实施方式的流体泵1007’的示意图。流体泵1007’ 类似于图2的流体泵1007，除了设置辅助锅炉3001，以及现在单独控制 第一子室2102和第二子室2103的可控出口。

具体地，在图3的流体泵1007’中，图2的共同的出口阀2105由分别 用于第一子室2102和第二子室2103的两个出口阀21052和21053代替。 第一子室2102经由出口阀21052与辅助锅炉3001连通，以及第二子室 210经由出口阀21053与锅炉1001连通。阀，即进口阀2106和出口阀21052 和21053，受阀控制机构2107控制。

尽管在图3中显示辅助锅炉3001位于锅炉1001内或作为锅炉1001 的一部分，然而辅助锅炉3001可以为具有相同热源1002或不同热源的独 立锅炉。流体介质通过辅助锅炉3001的锅炉旋管，在压力下被加热以及 汽化。这种流体介质可以与由锅炉1001加热以及发动机1003依靠其运行 的工作流体相同或不同。

在图3所示的具体实施方式中，辅助锅炉3001为位于锅炉1001内的 锅炉旋管，以及由相同的热源1002加热。因此，内旋管锅炉3001将为驱 动流体泵1007’的次内系统(minor inner system)(冷却系统1008、第一 子室2102)提供工作压力。将此内旋管锅炉3001定位于主锅炉1001内， 确保对于锅炉1001的工作流体和辅助锅炉3001的流体介质，工作温度是 相同的。在一个实施方式中，驱动次内系统的内旋管锅炉3001中的压力 等于或大于主锅炉1001中的工作流体的压力。然而，不排除其它布置。

将用于第一子室2102和辅助锅炉3001中的流体介质与用于锅炉 1001、第二子室2103和发动机1003中的工作流体分开的原因，是为了控 制灵活性。具体地，(1)可构造/控制驱动发动机1003的主工作流体的 参数，以便提供最佳的功率输出能力，而(2)可独立构造/控制驱动流体 泵1007’的次内系统的流体介质的参数，以便提供具有最小的BTU损失的 温度参数间的最佳膨胀和收缩能力。

更具体地，可以选择辅助锅炉3001的流体介质，或者若其与锅炉1001 的工作流体相同，可以构造成具有与工作流体的那些参数不同的参数，如 温度和/或压力等，以提供第一子室2102的期望的体积减少量，以及因此 提供用于将低压蒸汽自发动机排放装置1005吸入第二子室2103的期望的 抽吸力。在图2的流体泵1007操作期间，若工作流体的至少一个参数改 变，例如温度和/或压力，那么第一子室2102中工作流体的相同参数因此 而改变，这可能是不希望的，因为导致产生过多或不足的抽吸力。然而， 在图3的流体泵1007’中，第一子室2102和辅助锅炉3001中的流体介质 的参数不需要响应锅炉1001和发动机1003中的参数改变而改变，或可独 立于锅炉1001和发动机1003的工作流体来进行控制，以确保在第二子室 2103中总是可以获得期望且足够的抽吸力。

流体泵1007’的操作基本相似于流体泵1007，以及在此不再重复。只 要注意到以下不同就足够了，在图2的流体泵1007中，当共同的出口阀 2105打开时，第一子室2102和第二子室2103同时与锅炉1001连通。然 而，在图3的流体泵1007’中，出口阀21052和21053可由控制机构2107 控制，以便其间具有稍许延迟地打开，这允许调节第二子室2103的抽送 作用和/或第一子室2102的冷却作用。

将图3的流体泵1007’中的第一子室出口阀21052和第二子室出口阀 21053用共同的出口阀代替，例如图2的流体泵1007的2105，落在本发 明的范围内。这种实施方式简化了泵的结构，但是辅助锅炉3001的流体 介质和1001的工作流体将会混和，这在一些应用中可能是不期望的。

应注意，在上述的实施方式中，在入口阀2106关闭的操作循环中存 在间隔。因此，在这种间隔期间，不从发动机排放装置1005抽回低压蒸 汽。这可能是不期望的，特别是在例如以上列举的专利和申请中所公开的 多汽缸发动机中，其中总有一个汽缸处在下行冲程，以及将低压蒸汽释放 到发动机排放装置1005。因此，期望提供一种流体泵，其基本不断地将 低压蒸汽自发动机排放装置1005抽送到高压水平的锅炉1001。图4A- 4G显示这种流体泵。

具体地，图4A-4G为处于操作中的流体泵400的横截面图。流体泵 400包括由虚中心轴401分开的两个相似的一半。每一半相应于以上参照 图2所述的一个流体泵1007。换句话说，流体泵400包括协同工作的两 个相似的流体泵1007。

更具体地，如图4A所示，流体泵400包括室402，其又包括两个一 半101、102。每一半101、102被可移动的分隔构件103、104分别分隔 成第一子室105、第二子室107、第三子室108和第四子室106。由于相 应的分隔构件103、104的移位，所述子室具有可变的体积。在此实施方 式中，分隔构件103、104为隔板(diaphragm)，其固定在到室402的壁 的相对的端4103A、4103B、4004A和4104B。分隔构件103、104相应于 流体泵1007的分隔构件2104。容纳水、空气或任何其它合适的冷却介质 的多个管109、110布置在室402的相对两侧，以及与相应于流体泵1007 的第一子室2102的第一子室105和第四子室106热接触。管109、110起 冷却系统或冷凝器2108的作用。第二子室107和第三子室108等效于流 体泵1007的第二子室2103。

第二子室107、第三子室108的上部分具有可控的开口4107、4108， 其由共同的入口阀111可选地打开/关闭。入口阀111包括阀体112，其在 阀套4111内可滑动，以及具有横截面减小的部分113。当横截面减小的 部分113与开口4107或4108对齐时，将打开所述开口，并使相应的第二 子室107或第三子室108与发动机排放装置1005连通。如可在图4A-4G 见到，开口4107、4108中的至少一个总是与发动机排放装置1005流体连 通，因此确保基本不断地从发动机排放装置1005抽送低压蒸汽。入口阀 111起到流体泵1007的入口阀2106的作用。阀体112进一步包括在其相 对端的通孔118、119。本文下面参照其它附图描述孔118、119。

第二子室107、第三子室108的下部分具有可控的开口4107’、4108’， 其分别由出口阀121、122打开/关闭。各出口阀121、122包括阀体123、 124，其在阀套4121、4122内可滑动，以及具有横截面减小的部分125、 126。当横截面减小的部分125、126与相应的开口4107’、4108’对齐时， 将打开所述开口，并使相应的第二子室107或第三子室108与锅炉1001 连通。出口阀121、122相应于流体泵1007的出口阀2105。阀体123、124 进一步包括在其端部的通孔129、130。出口阀121、122每一个进一步包 括回位弹簧131、132，所述回位弹簧131、132用于在其打开之后不久关 闭出口阀。本文下面参照其它附图描述孔129、130和弹簧131、132。

通过将相应分隔构件103、104的端部4103A、4104A定位在室402 的壁上，来密封第一子室105、第四子室106的上部分。第一子室105、 第四子室106的下部分具有可控的开口4105、4106，其分别由出口阀121、 122打开/关闭。当横截面减小的部分125、126与相应的开口4107’、4108’ 对齐时，还将与第一子室105、第四子室106的开口4105、4106对齐， 以便使第一子室105、第二子室107与锅炉1001以及使第四子室106、第 三子室108与锅炉1001同时连通。不排除其它的布置。

各分隔构件103、104由弹簧143、144连接到控制阀140，以便启动 控制阀140，本文将在下面对此进行描述。控制阀140包括阀体141，其 在阀套4140内可滑动，以及具有横截面减小的部分142。当横截面减小 的部分142位于穿过阀套4140延伸的第一导管154和第二导管155之一 中时，将打开所述导管且关闭另一个。因此，一次仅仅打开第一导管154 和第二导管155中的一个。

当控制阀140位于相应的打开位置，以及出口阀121、122位于关闭 位置，使第一导管154、第二导管155与相应的孔129、130对齐时，第 一导管154和第二导管155中的每一个使高压水平的锅炉1001连通到入 口阀111的相对两侧114、115之一，这如图4A所示。当阀体112的相 应孔118或119通过入口阀111的移动与第一导管154或第二导管155对 齐时，第一导管154、155进一步经由相应孔118、119，使高压水平的锅 炉1001连通到出口阀121、122之一。在图4A中，显示第二导管155经 由孔119，使高压水平的锅炉1001连通到出口阀122。

现在参照图4A-4G来描述流体泵400的操作。应注意，最后的步骤， 即步骤7(图4G)，是返回到该循环的第一步骤，即步骤1(图4A)。

步骤1

如图4A所示，在室101和102与锅炉1001之间的出口阀121和122 关闭。入口阀111的横截面减小的部分113使发动机排放装置1005与第 二子室107连通。第三子室108的开口4108由入口阀111关闭，以使发 动机排放装置1005与第三子室108断开。在左侧室101内，显示隔板103 向左伸展。隔板103右侧的第二子室107的敞开体积充满低压蒸汽120， 其自发动机排放装置散热器1005吸入。使用在左侧流体泵室101的左壁 中的水冷冷凝器系统109，将隔板103左侧的第一子室105中的流体介质， 在此情况下为锅炉1001的工作流体，冷却到其最低的期望体积。

应再次注意，在此具体的实施方式中，各阀111、121和122已设计 成在其内部具有管道阀(canal valve)或通孔118、119、129和130，仅 当相应的阀111、121和122移动到其关闭位置时，所述管道阀或通孔118、 119、129和130才打开。对于彼此完全独立的两个出口阀121和122，情 况如此。对于作为单个装置一前一后地打开和关闭开口4107、4108的上 部入口双阀111，情况也是如此。当自锅炉1001流向相应的气动阀111、 121、122时，遵循各第一导管154和第二导管155以及其管部分152、153、 154、155、116和117的顺序，就会理解，每一个管道阀或通孔118、119、 129和130如何自锅炉1001获取高压蒸汽，以打开/关闭相应的阀111、 121和122。

现在参考图4A，如上所述，出口阀121、122都关闭，同时其管道阀 129、130打开。高压蒸汽138被允许通过出口阀121的左侧管道阀129， 然后通过在所述设备中心处的由隔板启动的控制阀140的左侧开口。当左 侧隔板103向其左边伸展时，此控制阀140较早地打开。

关于每一相应的室101和102，当上部串联入口阀111的相应侧打开 时，每一出口阀121和122必须总是关闭的，这是因为自发动机排放装置 1005送入相应室即第二子室107和第三子室108的低压蒸汽120必须捕 获在其内部，在该捕获的体积能够倾卸到高压锅炉1001之前。此外，应 注意，在此所述的实施方式中的阀系统类似于运河水闸的闭锁系统那样地 工作。

在图4A中，由于上部入口阀111的左侧(即开口4107)打开，因此， 相应的管道阀118关闭。因此，引导通过入口阀111的第一导管154的 部分151，不能接通锅炉压力138以打开锅炉1001和第二子室107之间 的下部左侧出口阀121。

隔板103完全伸展到左边，这允许第二子室107右边的体积完全充满 来自发动机排放装置散热器1005的低压蒸汽120。由于在隔板103左侧 (即，第一子室105)引起的抽吸，发生左侧隔板103的该作用。具体地， 来自锅炉1001(或如下面在此所述的来自内旋管锅炉237的双流流体泵) 所注入的热工作流体，由水或空气冷却冷凝器109冷却。注意，在上部串 联入口阀111处，在发动机排放装置散热器1005和第二子室107之间打 开左侧，这允许低压蒸汽120自排放装置散热器1005流向第二子室107。

此外注意，当左侧室101中的隔板103完全伸展到左边时，其(通过 弹簧143的连接)拉开在流体泵中心处的由隔板启动的阀140。由于气动 出口阀121的管道开口129打开，以及第一导管154由控制阀140打开， 因此上部入口阀111能够接收来自锅炉1001的增压蒸汽138，其作用于 上部入口阀111的左侧114，这引起上部入口阀111向右滑动，因此关闭 串联入口阀111的左侧(即开口4107)。这导致步骤2。

步骤2

图4B显示锅炉压力138作用于上部入口阀111的左侧114，迫使入 口阀111向右滑动，所述锅炉压力138因此已打开右侧(即第三子室108 的开口4108)，以使发动机排放装置1005与第三子室108连通，同时将 左侧室101的第二子室107与发动机排放装置1005隔离。同时，下部两 个出口阀121和122保持关闭。在此位置，步骤1中自发动机排放装置散 热器1005吸入的在第二子室107中的低压蒸汽已被隔离。另一方面，右 侧室102的第三子室108现在自发动机排放装置散热器1005获取低压蒸 汽120。早先，在隔板104右边的第四子室106中的压力等于或大于在第 三子室108中的压力。这允许隔板104返回到如图4B所示的其自然、未 伸展的位置。在右侧室102的隔板104未显示出可忽视地向右移动。当然， 右侧隔板104的伸展可以已开始，这是因为来自锅炉1001或来自内旋管 锅炉237的较早注入的高压蒸汽已开始冷却。所述冷却作用由位于右侧室 102外壁中的冷凝器器旋管110引起。

当锅炉压力138作用于出口阀121的端部分127时，打开下部左侧出 口阀121，锅炉压力是通过位于下部出口阀121处的管道阀129、经由由 隔板启动的阀140所打开的第一导管154、以及通过位于上部入口阀111 处的管道阀118以及管部分151接通(access)的。这导致步骤3。

步骤3

图4C显示下部左侧出口阀121刚刚打开。下部出口阀121仅打开几 分钟，刚好足以允许在隔板103的两侧，即在第一子室105和第二子室 107中的压力相等，使得隔板103可缩回到其自然的位置，并且使收集在 第二子室107中的先前捕获的来自发动机排放装置1005的低压蒸汽120 与来自锅炉1001的高压蒸汽混和，从而迫使几乎全部工作流体离开第二 子室107进入锅炉1001。当出口阀121打开时，下部左侧出口阀121的 管道端口或孔129立刻关闭。该作用将切断使下部左侧出口阀121维持在 其打开位置的锅炉压力138。当在第一导管154中所捕获的高压138冷却 时，其体积减小，这允许在下部左侧出口阀121中的回位弹簧131来关闭 出口阀121。

当隔板103的两侧，即第一子室105和第二子室107中的压力相等时， 允许隔板103返回到其自然未伸展的位置，当在步骤2注入且捕获在第四 子室106中的锅炉蒸汽由冷凝器110冷却时，由于抽吸作用，右侧室102 的第三子室108充满来自发动机排放装置散热器1005的低压蒸汽120。

步骤4

在图4D中，右侧室102中的隔板104拉动由隔板启动的阀140，以 打开第二导管155，这在右侧室102中启动与如上所述在左侧室101中所 发生的相同的操作。

步骤5

在图4E中，锅炉高压139现在通过出口阀122的管道130、由隔板 启动的控制阀140打开的第二导管155，而通到上部入口阀111的右侧， 将入口阀111向左推动，因此关闭右侧(即，开口4108)，并打开发动 机排放装置散热器1005和第二子室107之间的上部入口阀111的左侧 (即，开口4107)。

当锅炉压力139作用于出口阀122的端部分128时，出口阀122打开， 锅炉压力139是通过位于下部出口阀122中的管道阀130、经由由隔板启 动的阀140所打开的第二导管155、以及通过位于上部入口阀111中的管 道阀119以及管部分150接通的。这导致步骤6。

步骤6

在图4F中，出口阀122刚刚打开，使得第三子室108可将其所捕获 的低压蒸汽倾卸到锅炉1001中，所述低压蒸汽在步骤4中来自发动机排 放装置散热器1005以及在步骤5中捕获。当隔板104每一侧，即在第四 子室106和第三子室108中的压力相等时，右侧隔板104移回到其自然的 位置。当隔板104返回到其自然的位置时，在第三子室108中所收集的低 压蒸汽与锅炉1001的高压蒸汽混和，并倾卸到锅炉1001中。出口阀122 仅暂时打开，这一点如关于步骤3所述。

步骤7

步骤7是返回步骤1。在图4G中，当捕获在第二导管155中的锅炉 蒸汽139冷却并冷凝时，下部右侧出口阀122关闭，所述第二导管155由 隔板103启动的控制阀140关闭，这允许弹簧132将出口阀122向左推动， 并推到关闭位置。流体泵400现在返回其步骤1的位置，如图4A示出。

总之，来自单流发动机排放装置1005的低压蒸汽120被流体泵400 抽送到高压锅炉1001，而不经历相变。此泵400使用通过冷却流体介质 的热蒸汽以产生较小体积所驱动的抽吸装置。此流体介质位于两隔板103、 104之后且接近冷却旋管109、110的外部第一子室105和第四子室106 中。隔板103、104之后的第一子室105、第四子室106中的冷却流体介 质的体积位移，引起低压蒸汽120自发动机1003的排放装置1005吸入流 体泵400的相应第二子室107、第三子室108中。当所述流体介质(例如 氦或R134a)冷却且缩小到较小的体积时，将引起此抽吸，所述流体介质 然后必须被传送回锅炉1001，在一个实施方式中其为液态体积。在第二 子室107或第三子室108充满低压蒸汽120之后，所述低压蒸汽接下来被 隔离并倾卸到锅炉1001中。

应注意，图4A-4G的流体泵相应于关于图2所述的单工作流体的实 施方式。提供类似于流体泵400并相应于关于图3所述的双工作流体发动 机的其它流体泵，是落在本发明的范围内的。图5示出了这种流体泵的实 施例。

具体地，图5为流体泵500的横截面图，其状态类似于图4F所示的 流体泵400的步骤6。流体泵500类似于流体泵400，以及相同的标号表 示相同的元件。流体泵400和流体泵500之间的主要差异包括内旋管机旋 管(coiler coil)237以及出口阀121、122的横截面减小的部分的结构。

具体地，内旋管机旋管237起着图3的辅助锅炉3001的作用。内旋 管机旋管237的流体介质可以与锅炉1001的工作流体相同或者不同。室 402的内部结构现在包括伸长壁581和582，其将内旋管机旋管237的流 体介质与锅炉1001的工作流体隔离。开口233、234在伸长壁581、582 中形成，以使内旋管机旋管237仅与第一子室105、第四子室106连通而 不与第二子室107和第三子室108连通。所述伸长壁还将锅炉1001与第 一子室105和第四子室106隔离，这确保内旋管机旋管237的流体介质和 1001的工作流体不会混和，进入“错误的”的子室。

此外，流体泵400的出口阀121、122的单个横截面减小的部分125、 126，已改变成每一个包括两个横截面减小的部分225a、225b和226a、 226b。当横截面减小的部分225a、226a与第一子室105、第四子室106 的相应的下部开口对齐时，它将允许流体介质自内旋管机旋管237进入第 一子室105、第四子室106，如图5的双头箭头Z所示。类似地，横截面 减小的部分225b、226b与第二子室107、第三子室108的相应的下部开 口对齐时，它将允许工作流体自锅炉1001进入第二子室107、第三子室 108，如图5中的单头箭头W所示。横截面减小的部分225a、226a现在 起着图3的阀21052的作用，而横截面减小的部分225b、226b相应于阀 21053。

流体泵500的操作类似于流体泵400，以及这里将不再重复。注意到 以下不同就足够了，在类似于流体泵400的步骤3和6(图4C和4F)的 步骤中，代替关于流体泵400所述的锅炉1001的工作流体，内旋管机旋 管237的流体介质将进入第一子室105、第四子室106以给所述子室提供 新充入的高压蒸汽，并且使相邻的第一子室105、第二子室107之间以及 相邻的第四子室106、第三子室108之间的压力相等。

在一个实施方式中，自内旋管机旋管237进入第一子室105、第四子 室106中的流体介质的新鲜的高压蒸汽，可以处于比自锅炉1001进入第 二子室107、第三子室108中的工作流体更高的压力之下。因此，当第一 子室105、第四子室106膨胀且第二子室107、第三子室108收缩时，隔 板103、104返回且越过中间位置。第二子室107、第三子室108的此体 积收缩，将使更多质量的所捕获的高压蒸汽自第二子室107、第三子室108 移向锅炉1001。另外，由内旋管机旋管237所提供的更高压力的流体介 质，在适当冷却时，将确保提供更大的抽吸力，以将更大量的低压蒸汽自 发动机排放装置1005吸入到第二子室107、第三子室108中。

然而，提供工作压力比锅炉1001的工作流体低的流体介质，也落在 本发明的范围内，这取决于应用。

图6为显示根据另一个实施方式的流体泵600的横截面图。流体泵 600在许多方面类似于流体泵400和500，除了以下方面：隔板103、104 现在被活塞303、304替代，增加了偏动弹簧601、602，以及冷凝器旋管 现在在第一子室105、第四子室106而不是在室402的壁中延伸。提供包 括少于所有三个以上所列举的改变的流体泵，也落在本发明的范围内。

活塞环661、662被设置，以将第一子室105与第二子室107以及第 四子室106与第三子室108密封隔离。活塞303、304可以为自由活塞， 这意味着，其移动仅由相邻子室，即105、107和106、108之间的压力差 控制。在此布置中，活塞功能类似于隔板103、104。

然而，活塞303、304还可由偏动弹簧(biasing spring)601、602驱 动或偏置。偏动弹簧601、602向所述设备的中心，即在压缩第二子室107 和第三子室108的方向上，偏置相应的活塞303、304。此布置具有的效 果类似于以上对于流体泵500所述的超压流体介质的效果，即，所偏置的 活塞在类似于流体泵400的步骤3和6(图4C和4F)的步骤中，进一步 压缩相应的第二子室107、第三子室108，以将更多质量的所捕获的高压 蒸汽自相应的第二子室107、第三子室108移到锅炉1001。在示例性地在 图6中示出的实施方式中，第三子室108的体积被弹簧602最大限度地压 缩，因此迫使若不是全部也是相当部分的工作流体蒸汽自第三子室108中 排出且排入到锅炉1001。因此，在关闭出口阀122后留在第三子室108 中的任何残余压力将是最小的，以及在通过入口阀111打开第三子室108 的上部开口4108时，残余蒸汽流回冷凝器散热器或发动机排放装置1005 的可能性显著降低。

最后，将冷凝器旋管309、310布置在第一子室105、第四子室106 中将增强冷却效果。偏动弹簧601、602的存在也防止活塞303、304撞击 且随后损坏冷凝器旋管309、310。

流体泵600的操作类似于流体泵400、500，以及在此不再重复。

应注意，可将流体泵600更改成对于冷却子室，即第一子室105、第 四子室106，以及对于抽送子室，即第二子室107、第三子室108，使用 单独的工作流体。

图7为根据另一个实施方式的流体泵700的示意性横截面图。在流体 泵700中，先前描述的气动驱动的阀，例如111、121、122，被电驱动的 阀711、721、722代替。此外，控制阀140和相联系的第一导管154、第 二导管155被省略，以及阀控制机构2107的功能由电子控制器799执行， 电子控制器799被编程或硬连线以适当控制阀711、721、722的关闭/打 开。

具体地，各阀711、721、722现在包括磁性可吸引的元件，例如781， 所述磁性可吸引的元件安装到其阀体，例如112。各阀进一步具有电磁线 圈，例如782，其与磁性可吸引的元件782相互作用。流向线圈782的电 流经由适当的布线，由控制器799控制。在回位弹簧例如4122、4121可 省略的情况下，线圈782可吸引和排斥磁性可吸引的元件781。然而，若 线圈72仅可吸引(或排斥)磁性可吸引的元件781，那么需要回位弹簧 来使相应的阀返回其原来的位置。

尽管以上描述流体泵700中的阀711、721、722为磁驱动的，然而不 排除所述阀为机械和/或电例如通过电动机驱动的其它布置。

上述控制阀的管道锁(canal-lock)的原理还可应用于控制器799。具 体地，控制器799被编程或硬连线，以从不同时打开第二子室107、第三 子室108中每一个的入口阀和出口阀。此外，打开各阀的定时与相应的分 隔构件或活塞303、304的位置同步。

例如，活塞303的最左位置用于流体泵700中，以触发控制器709来 相应地移动入口阀711，从而关闭第二子室107的上部开口，活塞303的 最左位置相应于控制阀140的启动以及流体泵400中的第二子室107的上 部开口的随后关闭(图4A、4B)。为了此目的，电接触开关792和相应 的探针791分别设置于室402的壁和活塞303上。当探针791接触处于活 塞303的最左位置处的相应的电接触开关792时，电接触开关792被启动， 并通知控制器799该是关闭第二子室107的上部开口4107的时间。在另 一个实施方式中，磁和/或光和/或机械启动且位于活塞303最左位置附近 的位置传感器，可用作开关/探针装置的替换。

在气动阀121、122中，所述阀的关闭通过回位弹簧4121、4122来实 现，所述回位弹簧4121、4122克服在相应第一导管154、第二导管155 中捕获并开始冷却的工作流体的高压。因此，所述阀的关闭定时依赖于工 作流体的高压蒸汽的参数以及所捕获的工作流体蒸汽多么快地冷却。这对 气动阀的操作引入了一些不确定性。相反，使用当打开相应的出口阀时开 始计数的内部或外部定时器，控制器799能够安排打开出口阀121、122 的精确的时间周期。

如上所述，第一子室105和第二子室107的出口阀，以及第四子室 106和第三子室108的出口阀，可被独立地控制和驱动。这可在类似于流 体泵700的流体泵中完成，其中出口阀711、722中的每一个仅关闭第二 子室107、第三子室108的出口，以及增加另一个出口阀，其受控制器799 的控制，以及仅关闭第一子室105、第四子室106的出口。因此，例如第 一子室105和第二子室107的出口可以在不同的定时打开，而不是同时打 开。例如，可首先打开第二子室107的出口阀721，以将大部分质量的所 捕获的低压蒸汽倾卸到锅炉1001中，然后第一子室105的独立受控的出 口阀(未显示)被打开，以便通过来自锅炉1001或内旋管机旋管237的 高压蒸汽的压力作用加上偏动弹簧601的弹簧作用，来将相应活塞303推 动到其最右位置，由此基本将来自第二子室107的全部工作流体排入到锅 炉1001中。第一子室105和第二子室107的出口阀的打开之间的延迟， 可由控制器799容易地配置/控制/调整。

落在本发明的范围内的是，提供一种具有多于两个的相关联的泵装置 (例如，以上关于流体泵400所述的101、102)的流体泵，每一个相应 于图2-3所示的结构之一。在多泵装置的结构中，控制器799可被编程 或硬连线以调整所有泵装置的阀的关闭和打开，作为集中式的阀控制。

图8为显示根据另一个实施方式的流体泵800的紧凑结构的示意性横 截面图。图8的流体泵800类似于图6的流体泵600，以及将入口阀111 和出口阀121、122显示为沿其轴向方向可见。如图8可见，所述阀位于 与相应子室的相应开口相邻的位置，因此获得紧凑结构。落在本发明的范 围内的是，以图8所示的方式布置图7的流体泵700的阀，以提供使用电 子控制器的紧凑型流体泵(未显示)。

尽管前述公开显示了示例性实施方式，然而应注意，可在此进行多种 改变和修改，而不脱离由所附权利要求所限定的所述实施方式的范围。此 外，尽管所述实施方式的元件以单个描述或要求，然而如果没有明确规定 限制为单个，也可考虑多个。

本专利申请要求于2004年10月15日提交的临时申请No.60/618,749 的优先权，其全部内容以引用方式明确地包含在本文中。

美国专利No.4,698,973、4,938,117、4,947,731、5,806,403、6,505,538， 美国临时申请No.60/506,141和60/618,749，以及于2005年10月7日提 交于USPTO作为接收局的名称为"MULTI-CYLINDER RECIPROCATING UNIFLOW ENGINE"的国际申请代理档案号No.233-016PCT，这些相关申 请也全部以引用方式包含在本文中。

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