液環(huán)系統(tǒng)及其應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種液環(huán)系統(tǒng)，包括殼體，適用于容納液體；轉(zhuǎn)子，安裝在所述殼體內(nèi)部，所述轉(zhuǎn)子和所述殼體接合所述液體以形成液環(huán)，所述液環(huán)具有內(nèi)部氣體-液體表面，且所述轉(zhuǎn)子具有多個氣室，所述氣室部分地由液環(huán)中的液體限定，且每個所述室的至少一個壁由所述液環(huán)的內(nèi)部氣體-液體表面的一部分構(gòu)成；其中所述內(nèi)部氣體-液體表面的所述部分相對于所述轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸進行徑向的往復(fù)運動；至少一個所述室與至少一個與所述轉(zhuǎn)子集成的正排量氣體空間流體連通；多個氣室流體連通，所述多個氣室在流體連通的氣室的最小氣體體積之間具有相位差，所述相位差為0°至±180°之間，包括±180°；以及所述液體包括水、CO2、NH3、CH4、氟利昂、液態(tài)空氣、熔融鹽或熔融金屬。
【專利說明】液環(huán)系統(tǒng)及其應(yīng)用
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求以申請?zhí)枮?1/729，471、申請日為2012年11月23日的美國臨時申請為基礎(chǔ)的優(yōu)先權(quán)。通過弓丨用，該申請的全部內(nèi)容合并于本申請中。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明大體上涉及用于例如熱機、熱泵以及變壓吸附(pressure swingadsorption PSA)等應(yīng)用的液環(huán)裝置的系統(tǒng)領(lǐng)域。特別地,涉及這樣一種液環(huán)系統(tǒng),該系統(tǒng)包括容納液體的外殼、安裝在該外殼內(nèi)部且包括至少一個葉輪的轉(zhuǎn)子、通過轉(zhuǎn)子或外殼旋轉(zhuǎn)而形成的液環(huán)、在液環(huán)內(nèi)表面與葉輪葉片之間形成的多個氣室，以及例如在至少一個壓縮氣室以及至少一個膨脹氣室之間的與轉(zhuǎn)子集成的流體連通。
【背景技術(shù)】
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中已知有液環(huán)裝置，其原理最早見于Nash的1910年的美國專利953，222中。該裝置最早的應(yīng)用見于Nash的1914年的美國專利1，094，919中，該申請公開了一種基于液環(huán)裝置的渦輪增壓位移式發(fā)動機。迄今為止，基于液環(huán)系統(tǒng)的多種改進已經(jīng)被公開，其中包括已發(fā)布的超過400項的美國專利，這些專利用于多種應(yīng)用，例如熱機、熱泵以及氣體壓縮機等。
[0005]一般來說，液環(huán)裝置包括外殼、具有葉片的可旋轉(zhuǎn)的葉輪、用于氣體供應(yīng)的進口以及用于氣體排放的出口，其中葉輪偏心地被置于外殼中，進口位于外殼的一端，而出口位于外殼的另一端。在運行過程中，液體被輸送至外殼中，并且由于葉輪的旋轉(zhuǎn)，該液體形成緊貼殼體內(nèi)壁的液環(huán)。氣體被包覆在形成在葉輪葉片與液體表面之間的室中，并且由于葉輪的旋轉(zhuǎn)以及葉輪轉(zhuǎn)軸與外殼軸的偏心，室中的氣體體積交替的減少和增加，這就導(dǎo)致了氣體的壓縮和膨脹。
[0006]如今液環(huán)系統(tǒng)的應(yīng)用主要包括真空泵和氣體壓縮機。斯特林發(fā)動機(StirlingEngines)的優(yōu)勢在于任意一種液態(tài)燃料均可被用于該種發(fā)動機，然而傳統(tǒng)斯特林發(fā)動機具有制造成本高、設(shè)計復(fù)雜以及服務(wù)期間短(例如，由于密封件更換)的缺點。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的液環(huán)系統(tǒng)可以被應(yīng)用于斯特林發(fā)動機以及其它熱機，例如，蘭金發(fā)動機(Rankin Engines)、布雷頓發(fā)動機(Brayton Engines)、開式循環(huán)斯特林發(fā)動機，以及變壓吸附(PSA)的應(yīng)用，其中與傳統(tǒng)斯特林發(fā)動機相比具有較少的運動零部件，并且使用液體作為密封。所以，能夠?qū)崿F(xiàn)更長的服務(wù)期間。進一步，本發(fā)明的液環(huán)系統(tǒng)有利于液態(tài)鹽作為液環(huán)的使用，而與傳統(tǒng)的液環(huán)系統(tǒng)相比，這種使用可提供增加的效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種液環(huán)系統(tǒng)，這種液環(huán)系統(tǒng)能夠用于斯特林類發(fā)動機、布雷頓類發(fā)動機，或者用于變壓吸附(PSA)的應(yīng)用。
[0009]本發(fā)明的進一步的目的在于提供一種液體孔口閥，用于控制液體的流動。【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1不出根據(jù)本發(fā)明的液環(huán)系統(tǒng)的第一實施方式，該液環(huán)系統(tǒng)具有互相偏心布置的兩個液環(huán)腔，適用于布雷頓類發(fā)動機或熱泵；圖1 (A)示出側(cè)視圖，圖1 (B)示出沿A-A線的橫截面圖，以及圖1 (C)示出沿B-B線的橫截面圖。
[0011]圖2不出根據(jù)本發(fā)明的液環(huán)系統(tǒng)的第二實施方式,該液環(huán)系統(tǒng)具有互相共軸布置的兩個液環(huán)腔，適用于布雷頓類發(fā)動機或熱泵；圖2 (A)示出側(cè)視圖，圖2 (B)示出沿C-C線的橫截面圖。
[0012]圖3不出根據(jù)本發(fā)明的液環(huán)系統(tǒng)的第三實施方式,該液環(huán)系統(tǒng)具有互相共軸布置的兩個液環(huán)腔以及沿轉(zhuǎn)子軸的軸線并圍繞該軸線延伸的流體連通，適用于布雷頓類發(fā)動機或熱泵；圖3 (A)示出側(cè)視圖，圖3 (B)示出沿D-D線的橫截面圖。
[0013]圖4示出根據(jù)本發(fā)明的液環(huán)系統(tǒng)的第四實施方式的俯視橫截面圖，該液環(huán)系統(tǒng)具有單個液環(huán)腔，適用于閉式循環(huán)斯特林類發(fā)動機。
[0014]圖5不出根據(jù)本發(fā)明的液環(huán)系統(tǒng)的第五實施方式,該液環(huán)系統(tǒng)具有互相偏心布置的兩個液環(huán)腔，適用于斯特林類發(fā)動機；圖5 (A)示出側(cè)視圖，圖5 (B)示出沿F-F線的橫截面圖，以及圖5 (C)示出沿E-E線的橫截面圖。
[0015]圖6不出根據(jù)本發(fā)明的液環(huán)系統(tǒng)的第六實施方式,該液環(huán)系統(tǒng)具有互相共軸布置的兩個液環(huán)腔以及以90°相位差沿轉(zhuǎn)子軸的軸線并螺旋地圍繞該軸線延伸的流體連通，適用于斯特林類發(fā)動機；圖6 (A)示出側(cè)視圖，圖6 (B)示出沿H-H線的橫截面圖，以及圖6(C)示出沿G-G線的橫截面圖，以及圖6 (D)示出轉(zhuǎn)子軸的側(cè)視圖，并示出了流體連通。
[0016]圖7不出根據(jù)本發(fā)明的液環(huán)系統(tǒng)的第七實施方式,該液環(huán)系統(tǒng)具有互相共軸布置的三個液環(huán)腔以及以90°相位差沿轉(zhuǎn)子軸的軸線并螺旋地圍繞該軸線延伸的流體連通，適用于斯特林類發(fā)動機或維勒米爾(VM)熱泵；圖7 (A)示出側(cè)視圖，圖7 (B)示出沿J-J線的橫截面圖，以及圖7 (C)示出沿1-1線的橫截面圖，以及圖7 (D)示出轉(zhuǎn)子軸的側(cè)視圖，并示出了兩個流體連通。
[0017]圖8不出根據(jù)本發(fā)明的液環(huán)系統(tǒng)的第八實施方式,該液環(huán)系統(tǒng)具有互相共軸布置的兩個液環(huán)腔，適用于開式循環(huán)斯特林類發(fā)動機(包括擴展的熱源)；圖8 (A)示出側(cè)視圖，圖8 (B)示出沿K-K線的橫截面圖。
[0018]圖9示出根據(jù)本發(fā)明的液環(huán)系統(tǒng)的第九實施方式，該液環(huán)系統(tǒng)具有單個液環(huán)腔，適用于變壓吸附(PSA)應(yīng)用；圖9 (A)示出側(cè)視圖，圖9 (B)示出沿L-L線的橫截面圖。
[0019]圖10示出根據(jù)本發(fā)明的液環(huán)系統(tǒng)的第十實施方式，適用于作為液體孔口閥的應(yīng)用；圖10 (A)示出處于打開位置的第一液體孔口閥的橫截面圖，圖10 (B)示出處于關(guān)閉位置的第一液體孔口閥的橫截面圖，以及圖10 (C)示出處于打開位置的第二液體孔口閥的橫截面圖，以及圖10 (D)示出處于關(guān)閉位置的第二液體孔口閥的橫截面圖。
【具體實施方式】
[0020]為實現(xiàn)本發(fā)明的第一個目的，提供有多種液環(huán)系統(tǒng)，這些液環(huán)系統(tǒng)包括:(i )適用于容納液體的固定的或可旋轉(zhuǎn)的外殼；(ii)安裝在外殼內(nèi)部且包括至少一個葉輪的轉(zhuǎn)子；
(iii)通過轉(zhuǎn)子或外殼旋轉(zhuǎn)而形成的液環(huán)；(iv)在液環(huán)內(nèi)表面與葉輪葉片之間形成的多個氣室，其特征在于例如其中至少一個壓縮氣室與至少一個與轉(zhuǎn)子集成的膨脹氣室之間具有流體連通。
[0021]進一步，本發(fā)明的第二個目的可以通過提供液體閥來實現(xiàn)，該液體閥包括具有往復(fù)運動的液體表面的小氣室，以及至少兩個流體連通，處于所述轉(zhuǎn)子的第一轉(zhuǎn)角時這些連通之間具有自由通路，處于第二角(等于360°減去第一轉(zhuǎn)角)時這些連通之間具有封閉通路。
[0022]本發(fā)明將使用優(yōu)選的實施方式并且結(jié)合下述對附圖和權(quán)利要求的詳細的說明被描述。
[0023]圖1A至IC示出液環(huán)裝置I的第一實施方式，液環(huán)裝置I在一個實施例中可以作為液環(huán)式熱泵或熱機操作或起作用。圖1A示出液環(huán)裝置I的橫截面圖。液環(huán)裝置I包括殼體3，殼體3包括限定第一圓柱形腔6以及第二圓柱形腔7的圓柱形部件。第一和第二圓柱形腔6和7被共用壁9分隔開。第一圓柱形腔6具有對稱軸X，且第二圓柱形腔7具有對稱軸X’，其中對稱軸X和X’之間具有一定偏移。轉(zhuǎn)子4被設(shè)置為可以在殼體3中繞旋轉(zhuǎn)軸I旋轉(zhuǎn)，并通過第一和第二軸承25a和25b被支撐在殼體3中。旋轉(zhuǎn)軸y位于圓柱形腔的對稱軸X和X’之間的中間。轉(zhuǎn)子4包括在第一和第二圓柱形腔6和7之間并穿過壁9上的圓形開口延伸的細長的圓柱形體，從而限定位于第一圓柱形腔6中的轉(zhuǎn)子4的第一部分4a，以及位于第二圓柱形腔7中的轉(zhuǎn)子4的第二部分4b。
[0024]圖1B示出轉(zhuǎn)子4以及垂直于第一對稱軸X的第一圓柱形腔6的沿A-A線的橫截面圖。轉(zhuǎn)子4包括多個連接至轉(zhuǎn)子4的第一部分4a的第一葉輪葉片10a。第一葉輪葉片IOa由轉(zhuǎn)子4的細長的圓柱形體徑向地延伸，并且可以繞其圓周均勻地分布。在示出的實施方式中，包括十二個葉輪葉片10a，其間限定第一圓柱形腔6中的十二個室12，雖然兩個以上(例如，2、3、4、5、6、7、8等)的任意數(shù)量的葉片均可接受。在多個第一葉輪葉片10沿旋轉(zhuǎn)軸I的每個端部上，第一組端部板18被設(shè)置為用于在軸向封閉所述室12a。
[0025]圖1C示出轉(zhuǎn)子4以及垂直于第二對稱軸X’的第二圓柱形腔7的沿B-B線的橫截面圖。轉(zhuǎn)子4還包括多個連接至轉(zhuǎn)子4的第二部分4b的第二葉輪葉片10b。第二葉輪葉片IOb由轉(zhuǎn)子4的細長的圓柱形體徑向地延伸，并且可以繞其圓周均勻地分布。在示出的實施方式中，包括十二個葉輪葉片10b，其間限定第二圓柱形腔7中的十二個室12b，雖然兩個以上(例如，2、3、4、5、6、7、8等)的任意數(shù)量的葉片均可接受。在多個第二葉輪葉片IOb沿旋轉(zhuǎn)軸I的每個端部上，第二組端部板被設(shè)置為用于在軸向封閉室12b。
[0026]通過軸向地限定在轉(zhuǎn)子4的圓柱形體中的通路13 (圖1A)，第一圓柱形腔6中的每個室12a (圖1B)與第二圓柱形腔7中的對應(yīng)的室12b (圖1C)連通。所以，在示出的實例中，在轉(zhuǎn)子4的圓柱形體上的通路13的數(shù)量也為十二，通路13的數(shù)量大體上與室的數(shù)量匹配或相對應(yīng)，一般其比值為1/1至1/6。在操作中，第一和第二圓柱形腔6和7包括或容納液體，例如水和/或空氣等。轉(zhuǎn)子4為可旋轉(zhuǎn)的，且第一和第二圓柱形腔6和7中的流體2分別被第一和第二葉輪葉片IOa和IOb帶動而旋轉(zhuǎn)。通過離心力，第一和第二圓柱形腔6和7中的液體隨后在第一和第二圓柱形腔6和7中分別形成第一和第二液環(huán)Ia和Ib (圖1B和1C)。第一和第二液環(huán)la-b限定第一和第二自由流體表面lla-b，面向內(nèi)側(cè)而朝向相應(yīng)圓柱形腔6和7的對稱軸X和X’。每個腔6和7內(nèi)的流體的量以及葉輪葉片10a-b的徑向的延伸，使得在繞轉(zhuǎn)子4的所有位置上以及轉(zhuǎn)子4的所有旋轉(zhuǎn)位置上，葉輪葉片10a-b在每個腔6和7內(nèi)分別地延伸入液環(huán)la-b中。所以，在第一圓柱形腔6中的每個室12a的體積被鄰近的葉輪葉片10a、第一和第二端部板以及第一自由流體表面Ila所限定。這一體積包含氣體。相應(yīng)地，第二圓柱形腔7中的每個室12b的氣體體積被鄰近的葉輪葉片10b、第一和第二端部板以及第二自由流體表面Ilb所限定。
[0027]由于轉(zhuǎn)子4的旋轉(zhuǎn)軸y相對于圓柱形腔6和7的對稱軸x和X’具有一定偏移，每個室12a_b的氣體體積在轉(zhuǎn)子4相對于殼體3旋轉(zhuǎn)的過程中隨著自由流體表面lla_b的位置相對于葉輪葉片10a-b的變化而周期性地變化。根據(jù)所描述的實施方式的多種不同的配置，第一圓柱形腔6中的室12a的氣體體積的變化以及第二圓柱形腔7中的室12b的氣體體積的變化(第一圓柱形腔6中的室12a與第二圓柱形腔7中的室12b具有流體連通)將以相位差α互相追隨。
[0028]在根據(jù)圖1A-C的實施方式中，由于第一和第二圓柱形腔6-7的室通過軸向通路13流體連通，并且第一和第二圓柱形腔6-7的各自的對稱軸互相具有一定偏移且轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸y在兩對稱軸之間，所以該相位差為180°。
[0029]在圖1A示出的實例中，轉(zhuǎn)子4的圓柱形體在轉(zhuǎn)子4內(nèi)部限定第一和第二圓柱形轉(zhuǎn)子腔，該轉(zhuǎn)子腔被轉(zhuǎn)子壁5分隔開。轉(zhuǎn)子4的端部板徑向地向內(nèi)延伸，以形成第一和第二圓柱形轉(zhuǎn)子腔的端部板，這樣由于受到離心力的影響，使得在裝置的操作中轉(zhuǎn)子腔可以在其中包括或容納流體。液環(huán)裝置I包括第一和第二泵或泵送裝置23、22，第一和第二泵或泵送裝置23、22被設(shè)置為用于在操作中將流體由液環(huán)lla-b (圖1B和1C)輸送至轉(zhuǎn)子腔。噴嘴19由轉(zhuǎn)子腔穿過細長的圓柱形轉(zhuǎn)子體延伸，用于由轉(zhuǎn)子腔向每個室12a-b噴射流體(圖1B和1C)。流體的噴射由轉(zhuǎn)子4旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生在液體上的離心力驅(qū)動。向室中的氣體噴射液體的目的在于加強每個室12a-b的體積中的流體和氣體之間的熱傳遞。
[0030]在替代性實施方式中，或除轉(zhuǎn)子腔和噴嘴之外，轉(zhuǎn)子4可以包括薄板形式的熱傳導(dǎo)板，其位于每個室12a_b中，由圓柱形轉(zhuǎn)子體徑向地向外延伸，以增加轉(zhuǎn)子4在每個室12a_b中的表面積，并且加強腔中的流體和每個室12a_b的體積中的氣體之間的熱傳遞。
[0031]第一和第二圓柱形腔6、7連接至第一和第二外部換熱器16、15，用于對分別位于腔6、7中的流體加熱或由分別位于腔6、7中的流體散熱。在示出的實例中，外部換熱器連接至第一和第二泵或泵送裝置23、22，第一和第二泵或泵送裝置23、22被設(shè)置為用于將液體由液環(huán)la-b輸送至轉(zhuǎn)子腔。
[0032]圖2示出液環(huán)系統(tǒng)的第二實施方式，適用于布雷頓類發(fā)動機或熱泵。圖2A示出該液環(huán)系統(tǒng)的側(cè)視圖。第一腔6和第二腔7互相共軸，并被腔壁9分隔開。轉(zhuǎn)子4安裝在殼體3內(nèi)，具有轉(zhuǎn)子壁5。在轉(zhuǎn)子4的腔內(nèi)，形成有流體連通13，流體連通13的設(shè)置方式使得制造與圖1A、1B及IC中不同的相位差成為可能。殼體3和轉(zhuǎn)子4中的一個可以旋轉(zhuǎn)或殼體3和轉(zhuǎn)子4均可以旋轉(zhuǎn)。第一腔6為液環(huán)系統(tǒng)的熱側(cè)。通過流體連通13，第一腔6中的壓縮氣室12a中密封的氣體以180°相位差被輸送至第二腔7中的膨脹氣室12b中。第二腔7為液環(huán)系統(tǒng)的冷側(cè)。氣體在流體連通13中的運動與熱泵相似。隨著轉(zhuǎn)子4的旋轉(zhuǎn)，流體可以被通過噴射噴嘴19被噴射。圖2B示出液環(huán)系統(tǒng)沿C-C截面的橫截面圖。多個氣室12形成在葉輪葉片10與液環(huán)I之間。如圖2B所示，氣室12部分地由液環(huán)I的內(nèi)表面11限定。
[0033]另一個關(guān)鍵元件為半循環(huán)膨脹器。這帶來了多種優(yōu)勢，其一為壓縮和膨脹通過一個室與至少另一個室具有流體連通而完成在轉(zhuǎn)子4的整個360°循環(huán)中，其由液體孔口(例如，24a-d)控制，該液體孔口在轉(zhuǎn)子4的360°循環(huán)中打開180°關(guān)閉180°。也就是說，當(dāng)一個室結(jié)束填充循環(huán)，液體孔口打開與另一個室的流體連通，該另一個室正開始填充循環(huán)。相同的現(xiàn)象也適用于與另一個室具有流體連通的壓縮室，區(qū)別在于該種情況下為排空循環(huán)。
[0034]圖3A和圖3B不出液環(huán)系統(tǒng)的第三實施方式,適用于布雷頓類發(fā)動機或熱泵。這一實施方式提供一系列布雷頓循環(huán)的應(yīng)用，其允許通過第一腔6中的氣室12的連續(xù)的壓縮以及同時進行的通過第二腔7中的氣室12b的連續(xù)的膨脹，并且有助于止回閥28與液體孔口 24的正時。圖3A示出轉(zhuǎn)子4的橫截面，對應(yīng)于轉(zhuǎn)子4的360°循環(huán)中的一個點。當(dāng)來自膨脹氣室12c-d的液體孔口 24c-d正在打開(例如，見圖3B中的閥24d)的同時，假設(shè)轉(zhuǎn)子4在圖3B中順時針旋轉(zhuǎn)，來自壓縮氣室12a-b的液體孔口 24a_b正在關(guān)閉(例如，見圖3B中的閥24a)。根據(jù)相應(yīng)的室(例如，室12a)的壓力，腔6中的止回閥(例如，28a)順次打開和關(guān)閉。壓縮氣室12a中的氣體被壓縮并輸送至膨脹氣室12b，隨后膨脹氣室12b變?yōu)閴嚎s室。隨著液體孔口在轉(zhuǎn)子4的360°循環(huán)中的180°打開180°關(guān)閉，以調(diào)節(jié)流經(jīng)液環(huán)系統(tǒng)的氣體流量，室12b中的氣體隨后穿過腔7中的室12c以及連接的室順次膨脹。箭頭指示氣體在轉(zhuǎn)子4的360°循環(huán)中由一個氣室12向另一個氣室12的運動。第一腔6由冷卻水、外部空氣或相似物冷卻。第二腔7中的流體可以包括液態(tài)鹽或其它適用的流體，且可以通過外部熱源(圖中未示出)被加熱。適用于開式循環(huán)布雷頓發(fā)動機以及開式循環(huán)斯特林發(fā)動機的液環(huán)的關(guān)鍵元件之一為液體孔口 24。圖3B示出第三實施方式的沿D-D線的橫截面圖。該實施方式的轉(zhuǎn)子4具有帶止回閥28的流體連通。
[0035]圖4示出液環(huán)系統(tǒng)的第四實施方式，適用于閉式循環(huán)斯特林類發(fā)動機。該實施方式示出發(fā)動機的俯視橫截面圖。適用的布雷頓類發(fā)動機與適用的斯特林類發(fā)動機的主要區(qū)別在于蓄熱器(regenerator) 14的存在。在這種實施方式中,轉(zhuǎn)子4具有位于轉(zhuǎn)子腔內(nèi)的第一換熱器15以及第二換熱器16,其間夾有蓄熱器14。膨脹室12a中的氣體通過第一換熱器15、蓄熱器14以及第二換熱器16穿過流體連通13，而達到壓縮室12b。這兩個室具有0°至180°度之間的相位差(例如，圖4中的示出的實施方式為約90° )。
[0036]圖5不出根據(jù)本發(fā)明的液環(huán)系統(tǒng)的第五實施方式,該液環(huán)系統(tǒng)具有互相偏心布置的兩個液環(huán)腔，適用于斯特林類發(fā)動機的應(yīng)用；圖5 (A)示出該液環(huán)系統(tǒng)的側(cè)視圖，圖5 (B)示出沿圖5(A)中的F-F線的橫截面圖，以及圖5 (C)示出沿圖5(A)中的E-E線的橫截面圖。圖5中的液環(huán)系統(tǒng)包括液環(huán)Ia和lb、外殼或殼體3、流體2、轉(zhuǎn)子4、蓄熱器14、具有互相偏移的對稱軸X和X’的第一和第二圓柱形腔6和7、分隔開兩個腔中的流體2的固定壁
9、葉輪葉片10a-b、在各自腔中的液體-氣體表面Ila和lib、氣室12a_d、旋轉(zhuǎn)軸y、軸承25a-b，以及用于使壓縮室12c中的氣體穿過蓄熱器14移動至膨脹室12d的流體連通13。
[0037]圖6不出根據(jù)本發(fā)明的液環(huán)系統(tǒng)的第六實施方式,該液環(huán)系統(tǒng)具有互相共軸布置的兩個液環(huán)腔，以90°相位差沿轉(zhuǎn)子軸的軸線并螺旋地圍繞該軸線延伸的流體連通，適用于斯特林類發(fā)動機的應(yīng)用。圖6 (A)示出該液環(huán)系統(tǒng)的側(cè)視圖，圖6 (B)示出沿圖6 (A)中的H-H線的橫截面圖，以及圖6 (C)示出沿圖6 (A)中的G-G線的橫截面圖。圖6 (D)示出轉(zhuǎn)子4的螺旋軸的側(cè)視圖，并示出了流體連通13。圖6中的液環(huán)系統(tǒng)包括液環(huán)Ia和lb、外殼或殼體3、流體2、轉(zhuǎn)子4、蓄熱器14、具有與旋轉(zhuǎn)軸y偏移的對稱軸x和X’的第一和第二圓柱形腔6和7、分隔開兩個腔中的流體2的固定壁9、葉輪葉片10a-b、在各自腔中的液體-氣體表面Ila和lib、氣室12a_b、軸承25a_b，以及用于使壓縮室中的氣體穿過蓄熱器14移動至膨脹室的流體連通13。
[0038]圖7不出根據(jù)本發(fā)明的液環(huán)系統(tǒng)的第七實施方式,該液環(huán)系統(tǒng)具有互相共軸布置的三個液環(huán)腔以及以90°相位差沿轉(zhuǎn)子軸的軸線并螺旋地圍繞該軸線延伸的流體連通，適用于斯特林類發(fā)動機或維勒米爾(VM)熱泵的應(yīng)用。圖7 (A)示出該液環(huán)系統(tǒng)的側(cè)視圖。圖7 (B)示出沿圖7 (A)中的J-J線的橫截面圖，以及圖7 (C)示出沿圖7 (A)中的1-1線的橫截面圖，以及圖7 (D)示出轉(zhuǎn)子4的軸的側(cè)視圖，并示出了兩個流體連通13 (見圖7A)。圖7中的液環(huán)系統(tǒng)包括液環(huán)Ia和lb、外殼或殼體3、流體2、轉(zhuǎn)子4、蓄熱器14、具有與旋轉(zhuǎn)軸I偏移的對稱軸X和X’的第一、第二和第三圓柱形腔6、7和8、分隔開每個腔中的流體2的固定壁9a_b、葉輪葉片10a-b、在其中兩個腔中的液體-氣體表面Ila和lib、氣室12a_d、旋轉(zhuǎn)軸y、軸承25a-b，以及用于使壓縮室中的氣體穿過蓄熱器14移動至膨脹室的流體連通13a_b。
[0039]圖8不出根據(jù)本發(fā)明的液環(huán)系統(tǒng)的第八實施方式,該液環(huán)系統(tǒng)具有互相共軸布置的兩個液環(huán)腔，適用于開式循環(huán)斯特林類發(fā)動機(包括擴展的熱源)的應(yīng)用。雙斜線33表示該連通為相似的連通，但具有90°相位移而垂直于該圖的平面。當(dāng)室的氣體體積膨脹時，空氣穿過止回閥28a由外部被吸入壓縮室21?？諝獗粔嚎s并穿過液體孔口 24a流動至蓄熱器
14。隨后當(dāng)空氣經(jīng)過蓄熱器14時，空氣被加熱。隨后被加熱的空氣穿過液體孔口 24b流動進入室20。熱空氣在室20中膨脹并穿過液體孔口 24c流出，并且通過流體連通13穿過燃燒室30的熱爐32。氣體在燃燒室30中被加熱，并被繞軸室(spool cell) 45吸入而穿過氣體連通34而進入腔46中。熱氣體穿過液體孔口 24d，而后進入并穿過蓄熱器14，沿著與之前相反的方向。當(dāng)熱的氣體流過蓄熱器14時，其冷卻下來。來自蓄熱器14的冷氣體進一步被繞軸室45穿過液體孔口 24e吸入并穿過止回閥28b被排放至外部。圖8A中的液環(huán)系統(tǒng)包括液環(huán)1、外殼3、流體2、轉(zhuǎn)子4、分隔開冷卻水和熱熔液體鹽的固定壁9、葉片或葉輪葉片10、液體-氣體表面11、氣室12、旋轉(zhuǎn)軸42、液體孔口 24a-e、軸承25、止回閥28a-d、螺旋輸送器29、生物質(zhì)或垃圾燃料27、輸送器電機31、蓄熱器14，以及旋轉(zhuǎn)壁35。
[0040]圖9示出根據(jù)本發(fā)明的液環(huán)系統(tǒng)的第九實施方式，該液環(huán)系統(tǒng)具有單個液環(huán)腔，適用于變壓吸附(PSA)應(yīng)用。圖9 (A)示出該液環(huán)系統(tǒng)的側(cè)視圖，圖9 (B)示出圖9 (A)中的液環(huán)系統(tǒng)的沿L-L線的橫截面圖。在常規(guī)的氣體分離裝置中，用于氣體壓縮的能量為主要的成本。該系統(tǒng)包括具有行星運動的變壓吸附(PSA)氣體分離器，包括液體孔口 24、配重43、原料氣體進口 26、氣體組分出口 39a-b、軸承25a_b、轉(zhuǎn)子4、行星驅(qū)動的驅(qū)動軸40、液體
2、PSA矩陣41、用于排放少量吸收的氣體組分的止回閥口 28、齒輪44、轉(zhuǎn)子4的驅(qū)動軸42、旋轉(zhuǎn)殼體3，以及與另一部分的另一室的連通33。
[0041]在行星運動中，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸繞液環(huán)的旋轉(zhuǎn)軸運動。在優(yōu)選的實施方式中，液環(huán)的旋轉(zhuǎn)軸以及轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸為平行的。在行星運動中，存在兩個角速度《I和ω2，以及兩個徑矢Rl和R2。所述兩旋轉(zhuǎn)軸之間的距離Rl為偏心率。轉(zhuǎn)子的半徑為R2。ω I為Rl的角速度，ω2為R2的角速度。ε為轉(zhuǎn)子端部與外殼內(nèi)壁之間的最小距離。內(nèi)部空間(包含液環(huán))的半徑至少為R1+R2+ε。當(dāng)順時針旋轉(zhuǎn)時，ω?和ω2>0。當(dāng)ω 2=0，無泵送發(fā)生，也就是說，就像月亮總向地球展示相同的一側(cè)一樣。當(dāng)ω2古0，發(fā)生泵送功能。液環(huán)的轉(zhuǎn)速大約與轉(zhuǎn)子端部的速度相同(也就是，大約為《1[R1+R2] + ?2R2)。使用這種裝置，所述液體活塞的往復(fù)運動的頻率可以獨立于液環(huán)速度而被調(diào)節(jié)。這一系統(tǒng)使得能夠?qū)⒁涵h(huán)速度保持在優(yōu)選速度以保持盡可能小的摩擦，并且同時保持足夠的(離心力造成的)壓力梯度以將氣體密封在室中。在一些應(yīng)用中(例如PSA)，由于吸附劑需要一定時間來吸附和解吸氣體，所以需要低的泵頻率。在另一些應(yīng)用中，需要高的泵頻率以及低的液體速度(例如，當(dāng)需要最小的摩擦損耗和大量的被泵送流體時)。
[0042]圖10A-D示出根據(jù)本發(fā)明的液環(huán)系統(tǒng)的第十實施方式，適用于作為液體孔口閥的應(yīng)用。液環(huán)式開式循環(huán)斯特林發(fā)動機以及液環(huán)式布雷頓裝置中的關(guān)鍵元件之一為圖10中的小量液體孔口。圖1OA和IOB中的小量液體孔口 24a包括管道,管道由壁36a所分隔,具有入口管道37a和出口管道38a。圖1OC和IOD中的小量液體孔口 24b包括位于較大管道中的小管道36，具有入口管道37b和出口管道38b。每個管道24a和24b的開放端始終沒入液體2中。典型地，壁36a (圖1OA和10B)或小管道36b (圖1OC和10D)的端部位于流體2的最高液體表面和最低液體表面之間的中間。在另一端，閥24的一個管道連接至一個室，而閥24的另一個管道連接至另一個室。在圖1OA和圖1OB中，入口管道37a連接至一個室，而出口管道38a連接至另一個室。在圖1OC和圖1OD中，大管道通過出口管道38b連接至一個室，而小管道(也就是，入口管道37b)連接至另一個室。往復(fù)運動的液體起到小量液體孔口的作用，其中當(dāng)液體表面低(圖1OA和10C)時具有自由氣體流動(也就是“打開”狀態(tài))，當(dāng)液體表面高(圖1OB和10D)時無氣體流動(也就是“關(guān)閉”狀態(tài))。
[0043]雖然根據(jù)本發(fā)明的液環(huán)系統(tǒng)具有基于常規(guī)的液環(huán)系統(tǒng)的發(fā)明構(gòu)思，但其提供一些不同的元件并要求不同的操作。在優(yōu)選的實施方式中，該液環(huán)系統(tǒng)具有第一圓柱形腔以及第二圓柱形腔，第一圓柱形腔和第二圓柱形腔均具有葉輪和多個形成在葉輪葉片之間的室。進一步，該系統(tǒng)具有至少一個位于第一腔中的室，該室與位于第二腔中的至少一個室具有流體連通。更具體地，該流體連通以α度(α>0)相位差形成在至少一個位于第一腔中的室以及位于第二腔中的至少一個室的正排量(positive displacement)空間之間。當(dāng)這樣的流體連通形成在兩個腔中所有可能的室之間時，由于每對室均可被利用而提供液環(huán)系統(tǒng)的有效操作，所以這樣的流體連通尤為有優(yōu)勢。
[0044]在本發(fā)明的另一實施方式中，第一腔的幾何軸線相對于第二腔的幾何軸線被徑向地偏移，且流體連通通過實質(zhì)上沿軸向在第一和第二圓柱形腔中的室之間延伸的液體的通路而形成。在本發(fā)明的另一實施方式中，第一圓柱形腔的幾何軸線與第二圓柱形腔的幾何軸線相同，且流體連通通過在第一和第二圓柱形腔中的室之間螺旋地延伸的液體的通路而形成。所以，相位差α可以被獲得，相位差α可以是90°、180°或者45°至180°之間的任意值。
[0045]至于外殼，其可以是封閉的，這樣使得液體和氣體在第一和第二圓柱形腔中保持相對于環(huán)境壓力的高壓。換熱器可以被設(shè)置在第一圓柱形腔的室和第二圓柱形腔的室之間，這樣熱交換位于室中的液體和氣體之間。換熱器可以包括多個液體噴射噴嘴和/或熱傳導(dǎo)板。
[0046]外殼可以進一步包括第三圓柱形腔，其中具有液體和轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子可以包括多個第三葉輪葉片，第三葉輪葉片形成位于第三圓柱形腔中的多個室，其中位于第二圓柱形腔中的至少第一室可以與位于第三圓柱形腔中的一個室具有相位差為α度(其中α>0°，例如，α=90°或180° )的流體連通。所以該裝置可以形成熱機和熱泵的作為一個整體的結(jié)合(例如，單個或集成的單元)。
[0047]圓柱形腔可以具有共同的對稱軸，以及殼體可以旋轉(zhuǎn)或被設(shè)置為繞共同的對稱軸旋轉(zhuǎn)。當(dāng)設(shè)備運轉(zhuǎn)時，液環(huán)可以通過這樣的設(shè)置被形成，而不依賴于葉輪葉片。
[0048]流體可以包括水、鹽溶液、氣體(H2、He、NH3、空氣、氬氣等)、氣相流體、CO2, CO2與具有低于_78°C的熔點的有機液的組合物、深冷液體(例如，液態(tài)空氣、液氮、氟利昂等)和/或高溫液體(例如，熔融鹽(如，NaCl、KCl、KBr、NaF, BeF2, NaN03> KNO3,以及其組合物等))或熔融金屬(Hg、Al、Zn、Cd、堿金屬、Mg、Ag、Au、Sn、Pb、Ga、In，以及其合金，如鎵銦錫合金(galinstan)、伍德合金(wood’ s metal)等)。
[0049]液環(huán)裝置的優(yōu)選的實施方式已經(jīng)被描述。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員能意識到這些實施方式可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)變動，而不偏離發(fā)明構(gòu)思。上文所述的所有替代性實施方式或?qū)嵤┓绞街械牧悴考?，可以不偏離發(fā)明構(gòu)思被自由地組合而不偏離發(fā)明構(gòu)思，只要該種組合并不沖突。
[0050]在多種實施方式中，液環(huán)裝置可以包括至少一個液環(huán)葉輪，且至少一個位于液環(huán)葉輪中的室包括另一個正排量空間。通過相同的葉輪形成的室可以流體連通，并且通過不同的葉輪形成的室可以流體連通并具有共同的旋轉(zhuǎn)軸。在進一步的實施方式中，一些葉輪可以在相同的液環(huán)中，且這些葉輪可以形成有流體連通的室。
[0051]具有連通的成對的室可以為具有孔口的開環(huán)斯特林裝置的部分。在一些液環(huán)裝置中，該孔口在裝置的循環(huán)中的某個角度打開。在一種示例性液環(huán)裝置中，至少一個孔口為液體孔口。根據(jù)多種實施方式的進一步的液環(huán)裝置包括多個液體孔口，其中該液體孔口位于分離的液環(huán)的部分中。
[0052]在本液環(huán)裝置中，至少一對室可以適用于變壓吸附(PSA)的應(yīng)用。在這些實施方式中的任意之一中，流體連通的室可以具有不同的大小。在液環(huán)裝置的進一步的實施方式中，流體連通的室可以適用于180°相位差。
[0053]在液環(huán)裝置中，具有流體連通的室的轉(zhuǎn)子上的多個葉輪可以位于分離的圓柱型空間中，所述空間具有單獨的液環(huán)。在這些實施方式中的任意之一中，液環(huán)裝置可以具有可旋轉(zhuǎn)的殼體。
[0054]在一些實施方式中，至少一個與其它室具有流體連通的室可以具有與該其它室的最小體積有相位差的氣體的最小體積。在多種實例中，該相位差大于0° (例如，90°或180。)。
[0055]液環(huán)裝置可以包括兩室之間的連接，該連接包括換熱器，在換熱器中氣體與外部熱源或散熱器進行熱交換。在一些實施方式中，液環(huán)裝置中的換熱器可以包括(i )第一流體，包括水、鹵水或CO2 ; (ii)低溫液體；和/或(iii)高溫液體。例如,低溫液體可以包括液態(tài)空氣或液氮，而高溫液體可以包括熔融鹽或熔融金屬。
[0056]一種發(fā)動機可以包括根據(jù)這些實施方式中的任意一種的液環(huán)裝置。該發(fā)動機可以通過內(nèi)部燃燒運作，其中燃料被供應(yīng)至至少一個室中，或替代性地，通過外部燃燒運作。例如，該燃料可以包括甲烷或生物質(zhì)。一種示例性的液環(huán)式四沖程發(fā)動機可以包括根據(jù)本發(fā)明的實施方式的發(fā)動機，具有圓形液環(huán)截面以及橢圓形葉輪截面。
[0057]在液環(huán)裝置的多種實施方式中，換熱器可以包括流體噴射噴嘴和/或用于在室中的流體之間傳熱的熱傳導(dǎo)板。一種示例性的液環(huán)裝置可以包括至少一個具有用于PSA(變壓吸附)的分子篩的室，且特別地，其中連通包括用于PSA的分子篩。液環(huán)式參數(shù)化PSA裝置的多種實施方式包括根據(jù)本段的液環(huán)裝置，這種裝置具有多于三個的流體連通的室，其中原料氣被供應(yīng)至中間室，較少量被吸附的氣體由一個或多個位于轉(zhuǎn)子一端部的室被取出，較大量被吸附的氣體由一個或多個位于轉(zhuǎn)子另一端部的室被取出。液環(huán)式參數(shù)化PSA裝置的進一步的實施方式可以包括根據(jù)分子篩和取出氣的純度不同而不同的多個室。
[0058]在包括葉輪的示例性液環(huán)裝置中，該葉輪可以包括(i)軸，該軸在垂直于該軸的平面上呈圓形運動，(ii)轉(zhuǎn)速，該轉(zhuǎn)速可以獨立于液環(huán)的圓周速度而被調(diào)節(jié)，其中液環(huán)的圓周速度適應(yīng)于室中的工作壓力，以及(iii)循環(huán)頻率，該循環(huán)頻率可以被調(diào)節(jié)以適應(yīng)分子篩的吸附速度。
【權(quán)利要求】
1.一種液環(huán)系統(tǒng),包括: 殼體，適用于容納液體； 轉(zhuǎn)子，安裝在所述殼體內(nèi)部，所述轉(zhuǎn)子和所述殼體接合所述液體以形成液環(huán)，所述液環(huán)具有內(nèi)部氣體-液體表面，且所述轉(zhuǎn)子具有多個氣室，所述氣室部分地由液環(huán)中的液體限定，且每個所述室的至少一個壁由所述液環(huán)的內(nèi)部氣體-液體表面的一部分構(gòu)成； 其中所述內(nèi)部氣體-液體表面的所述部分相對于所述轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸進行徑向的往復(fù)運動； 至少一個所述室與至少一個與所述轉(zhuǎn)子集成的正排量氣體空間流體連通； 多個氣室流體連通，所述多個氣室在流體連通的氣室的最小氣體體積之間具有相位差，所述相位差為0°至±180°之間，包括±180° ;以及 所述液體包括水、CO2、NH3、CH4、氟利昂、液態(tài)空氣、熔融鹽或熔融金屬。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述轉(zhuǎn)子進行行星運動，且所述轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸繞所述液環(huán)的旋轉(zhuǎn)軸運動，以使所述轉(zhuǎn)子的泵頻率能夠獨立于液環(huán)速度而變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述殼體容納至少兩個單獨的液環(huán)，其中液體密封的氣室與每個液環(huán)流體連通。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述正排量空間位于波紋管、帶活塞的缸、葉片裝置中的室、外擺線或內(nèi)擺線裝置中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述氣室和/或流體連通件中的至少一個包括蓄熱器，其中氣體與(i)蓄熱器和/或(ii)至少一個換熱器換熱，且氣體進一步與外部熱源、內(nèi)部熱源、散熱器和/或分子篩換熱。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述換熱器包括位于所述殼體上的外部熱傳遞凸緣、位于所述室中的流體噴射噴嘴、用于在所述室中的流體和氣體之間熱傳遞的熱傳導(dǎo)板，和/或用于在流體和氣體之間熱傳遞的金屬、橡膠或塑料膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述換熱器包括所述金屬、橡膠或塑料膜，且所述金屬、橡膠或塑料膜阻隔來自流體的蒸汽防止其污染氣體。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)作為斯特林裝置運作，且所述系統(tǒng)包括壓縮室、連接至散熱器的第一換熱器、蓄熱器、連接至熱源的第二換熱器，以及膨脹室，其中當(dāng)所述熱源的溫度高于所述散熱器的溫度時所述斯特林裝置作為熱機運作，而當(dāng)所述熱源的溫度低于所述散熱器的溫度時所述斯特林裝置作為熱泵運作。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述流體連通包括孔口，所述孔口在所述系統(tǒng)的循環(huán)中的一角度打開。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，作為內(nèi)燃機運作，所述內(nèi)燃機具有第一和第二室，其中所述流體連接為具有所述孔口的開環(huán)斯特林裝置的一部分。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)作為布雷頓發(fā)動機運作，氣體在熱腔中被壓縮、加熱，并通過流過流體連通的多個所述氣室而膨脹，且所述流體連通包括止回閥、機械閥或液體孔口。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)作為蘭金發(fā)動機或熱泵運作。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，包括流體連通的三個氣室，并包括與共同壓縮空間流體連通的熱膨脹空間以及冷膨脹空間，且所述裝置作為熱驅(qū)動的熱泵工作。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進一步包括液體孔口，所述液體孔口包括具有往復(fù)運動的液體表面的氣室，以及至少兩個這樣的流體連通:在所述轉(zhuǎn)子的第一旋轉(zhuǎn)角，連通之間具有自由通路；在所述轉(zhuǎn)子的第二旋轉(zhuǎn)角，連通之間具有封閉通路，所述第二旋轉(zhuǎn)角等于360°減去所述第一旋轉(zhuǎn)角。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述具有最小氣體體積的流體連通的氣室具有在180°旋轉(zhuǎn)角的不同。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述氣體包括空氣，以及所述系統(tǒng)包括燃燒室，所述燃燒室加熱所述空氣且其具有燃料添加系統(tǒng)，所述燃料添加系統(tǒng)向所述燃燒室添加所述燃料。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，作為使用燃料的內(nèi)燃機運作，所述燃料包括甲烷或生物質(zhì)，所述燃料被供應(yīng)至所述至少一個氣室或所述流體連通中。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述流體連通包括孔口，所述孔口在所述系統(tǒng)的循環(huán)中的一個角度打開。
19.一種液環(huán)式參數(shù)化變壓吸附(PSA)系統(tǒng)，包括根據(jù)權(quán)利要求18所述的液環(huán)裝置，所述裝置具有多個流體連通的室，其中原料氣被供應(yīng)至中間室，較少量的被吸附的氣體由一個或多個位于轉(zhuǎn)子一端部的室被取出，較大量的被吸附的氣體由一個或多個位于轉(zhuǎn)子另一端部的室被取出，且流體 連通的氣室的數(shù)量取決于分子篩和取出氣體的純度。
【文檔編號】F02G1/053GK103835835SQ201310567759
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2013年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月23日
【發(fā)明者】S·克魯格爾 申請人:S·克魯格爾