液环系统及其应用的制作方法
液环系统及其应用的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种液环系统，包括壳体，适用于容纳液体；转子，安装在所述壳体内部，所述转子和所述壳体接合所述液体以形成液环，所述液环具有内部气体-液体表面，且所述转子具有多个气室，所述气室部分地由液环中的液体限定，且每个所述室的至少一个壁由所述液环的内部气体-液体表面的一部分构成；其中所述内部气体-液体表面的所述部分相对于所述转子的旋转轴进行径向的往复运动；至少一个所述室与至少一个与所述转子集成的正排量气体空间流体连通；多个气室流体连通，所述多个气室在流体连通的气室的最小气体体积之间具有相位差，所述相位差为0°至±180°之间，包括±180°；以及所述液体包括水、CO2、NH3、CH4、氟利昂、液态空气、熔融盐或熔融金属。
【专利说明】液环系统及其应用
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求以申请号为61/729，471、申请日为2012年11月23日的美国临时申请为基础的优先权。通过弓丨用，该申请的全部内容合并于本申请中。
【技术领域】
[0003]本发明大体上涉及用于例如热机、热泵以及变压吸附(pressure swingadsorption PSA)等应用的液环装置的系统领域。特别地,涉及这样一种液环系统,该系统包括容纳液体的外壳、安装在该外壳内部且包括至少一个叶轮的转子、通过转子或外壳旋转而形成的液环、在液环内表面与叶轮叶片之间形成的多个气室，以及例如在至少一个压缩气室以及至少一个膨胀气室之间的与转子集成的流体连通。
【背景技术】
[0004]现有技术中已知有液环装置，其原理最早见于Nash的1910年的美国专利953，222中。该装置最早的应用见于Nash的1914年的美国专利1，094，919中，该申请公开了一种基于液环装置的涡轮增压位移式发动机。迄今为止，基于液环系统的多种改进已经被公开，其中包括已发布的超过400项的美国专利，这些专利用于多种应用，例如热机、热泵以及气体压缩机等。
[0005]一般来说，液环装置包括外壳、具有叶片的可旋转的叶轮、用于气体供应的进口以及用于气体排放的出口，其中叶轮偏心地被置于外壳中，进口位于外壳的一端，而出口位于外壳的另一端。在运行过程中，液体被输送至外壳中，并且由于叶轮的旋转，该液体形成紧贴壳体内壁的液环。气体被包覆在形成在叶轮叶片与液体表面之间的室中，并且由于叶轮的旋转以及叶轮转轴与外壳轴的偏心，室中的气体体积交替的减少和增加，这就导致了气体的压缩和膨胀。
[0006]如今液环系统的应用主要包括真空泵和气体压缩机。斯特林发动机(StirlingEngines)的优势在于任意一种液态燃料均可被用于该种发动机，然而传统斯特林发动机具有制造成本高、设计复杂以及服务期间短(例如，由于密封件更换)的缺点。
[0007]根据本发明的液环系统可以被应用于斯特林发动机以及其它热机，例如，兰金发动机(Rankin Engines)、布雷顿发动机(Brayton Engines)、开式循环斯特林发动机，以及变压吸附(PSA)的应用，其中与传统斯特林发动机相比具有较少的运动零部件，并且使用液体作为密封。所以，能够实现更长的服务期间。进一步，本发明的液环系统有利于液态盐作为液环的使用，而与传统的液环系统相比，这种使用可提供增加的效率。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供一种液环系统，这种液环系统能够用于斯特林类发动机、布雷顿类发动机，或者用于变压吸附(PSA)的应用。
[0009]本发明的进一步的目的在于提供一种液体孔口阀，用于控制液体的流动。【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1不出根据本发明的液环系统的第一实施方式，该液环系统具有互相偏心布置的两个液环腔，适用于布雷顿类发动机或热泵；图1 (A)示出侧视图，图1 (B)示出沿A-A线的横截面图，以及图1 (C)示出沿B-B线的横截面图。
[0011]图2不出根据本发明的液环系统的第二实施方式,该液环系统具有互相共轴布置的两个液环腔，适用于布雷顿类发动机或热泵；图2 (A)示出侧视图，图2 (B)示出沿C-C线的横截面图。
[0012]图3不出根据本发明的液环系统的第三实施方式,该液环系统具有互相共轴布置的两个液环腔以及沿转子轴的轴线并围绕该轴线延伸的流体连通，适用于布雷顿类发动机或热泵；图3 (A)示出侧视图，图3 (B)示出沿D-D线的横截面图。
[0013]图4示出根据本发明的液环系统的第四实施方式的俯视横截面图，该液环系统具有单个液环腔，适用于闭式循环斯特林类发动机。
[0014]图5不出根据本发明的液环系统的第五实施方式,该液环系统具有互相偏心布置的两个液环腔，适用于斯特林类发动机；图5 (A)示出侧视图，图5 (B)示出沿F-F线的横截面图，以及图5 (C)示出沿E-E线的横截面图。
[0015]图6不出根据本发明的液环系统的第六实施方式,该液环系统具有互相共轴布置的两个液环腔以及以90°相位差沿转子轴的轴线并螺旋地围绕该轴线延伸的流体连通，适用于斯特林类发动机；图6 (A)示出侧视图，图6 (B)示出沿H-H线的横截面图，以及图6(C)示出沿G-G线的横截面图，以及图6 (D)示出转子轴的侧视图，并示出了流体连通。
[0016]图7不出根据本发明的液环系统的第七实施方式,该液环系统具有互相共轴布置的三个液环腔以及以90°相位差沿转子轴的轴线并螺旋地围绕该轴线延伸的流体连通，适用于斯特林类发动机或维勒米尔(VM)热泵；图7 (A)示出侧视图，图7 (B)示出沿J-J线的横截面图，以及图7 (C)示出沿1-1线的横截面图，以及图7 (D)示出转子轴的侧视图，并示出了两个流体连通。
[0017]图8不出根据本发明的液环系统的第八实施方式,该液环系统具有互相共轴布置的两个液环腔，适用于开式循环斯特林类发动机(包括扩展的热源)；图8 (A)示出侧视图，图8 (B)示出沿K-K线的横截面图。
[0018]图9示出根据本发明的液环系统的第九实施方式，该液环系统具有单个液环腔，适用于变压吸附(PSA)应用；图9 (A)示出侧视图，图9 (B)示出沿L-L线的横截面图。
[0019]图10示出根据本发明的液环系统的第十实施方式，适用于作为液体孔口阀的应用；图10 (A)示出处于打开位置的第一液体孔口阀的横截面图，图10 (B)示出处于关闭位置的第一液体孔口阀的横截面图，以及图10 (C)示出处于打开位置的第二液体孔口阀的横截面图，以及图10 (D)示出处于关闭位置的第二液体孔口阀的横截面图。
【具体实施方式】
[0020]为实现本发明的第一个目的，提供有多种液环系统，这些液环系统包括:(i )适用于容纳液体的固定的或可旋转的外壳；(ii)安装在外壳内部且包括至少一个叶轮的转子；
(iii)通过转子或外壳旋转而形成的液环；(iv)在液环内表面与叶轮叶片之间形成的多个气室，其特征在于例如其中至少一个压缩气室与至少一个与转子集成的膨胀气室之间具有流体连通。
[0021]进一步，本发明的第二个目的可以通过提供液体阀来实现，该液体阀包括具有往复运动的液体表面的小气室，以及至少两个流体连通，处于所述转子的第一转角时这些连通之间具有自由通路，处于第二角(等于360°减去第一转角)时这些连通之间具有封闭通路。
[0022]本发明将使用优选的实施方式并且结合下述对附图和权利要求的详细的说明被描述。
[0023]图1A至IC示出液环装置I的第一实施方式，液环装置I在一个实施例中可以作为液环式热泵或热机操作或起作用。图1A示出液环装置I的横截面图。液环装置I包括壳体3，壳体3包括限定第一圆柱形腔6以及第二圆柱形腔7的圆柱形部件。第一和第二圆柱形腔6和7被共用壁9分隔开。第一圆柱形腔6具有对称轴X，且第二圆柱形腔7具有对称轴X’，其中对称轴X和X’之间具有一定偏移。转子4被设置为可以在壳体3中绕旋转轴I旋转，并通过第一和第二轴承25a和25b被支撑在壳体3中。旋转轴y位于圆柱形腔的对称轴X和X’之间的中间。转子4包括在第一和第二圆柱形腔6和7之间并穿过壁9上的圆形开口延伸的细长的圆柱形体，从而限定位于第一圆柱形腔6中的转子4的第一部分4a，以及位于第二圆柱形腔7中的转子4的第二部分4b。
[0024]图1B示出转子4以及垂直于第一对称轴X的第一圆柱形腔6的沿A-A线的横截面图。转子4包括多个连接至转子4的第一部分4a的第一叶轮叶片10a。第一叶轮叶片IOa由转子4的细长的圆柱形体径向地延伸，并且可以绕其圆周均匀地分布。在示出的实施方式中，包括十二个叶轮叶片10a，其间限定第一圆柱形腔6中的十二个室12，虽然两个以上(例如，2、3、4、5、6、7、8等)的任意数量的叶片均可接受。在多个第一叶轮叶片10沿旋转轴I的每个端部上，第一组端部板18被设置为用于在轴向封闭所述室12a。
[0025]图1C示出转子4以及垂直于第二对称轴X’的第二圆柱形腔7的沿B-B线的横截面图。转子4还包括多个连接至转子4的第二部分4b的第二叶轮叶片10b。第二叶轮叶片IOb由转子4的细长的圆柱形体径向地延伸，并且可以绕其圆周均匀地分布。在示出的实施方式中，包括十二个叶轮叶片10b，其间限定第二圆柱形腔7中的十二个室12b，虽然两个以上(例如，2、3、4、5、6、7、8等)的任意数量的叶片均可接受。在多个第二叶轮叶片IOb沿旋转轴I的每个端部上，第二组端部板被设置为用于在轴向封闭室12b。
[0026]通过轴向地限定在转子4的圆柱形体中的通路13 (图1A)，第一圆柱形腔6中的每个室12a (图1B)与第二圆柱形腔7中的对应的室12b (图1C)连通。所以，在示出的实例中，在转子4的圆柱形体上的通路13的数量也为十二，通路13的数量大体上与室的数量匹配或相对应，一般其比值为1/1至1/6。在操作中，第一和第二圆柱形腔6和7包括或容纳液体，例如水和/或空气等。转子4为可旋转的，且第一和第二圆柱形腔6和7中的流体2分别被第一和第二叶轮叶片IOa和IOb带动而旋转。通过离心力，第一和第二圆柱形腔6和7中的液体随后在第一和第二圆柱形腔6和7中分别形成第一和第二液环Ia和Ib (图1B和1C)。第一和第二液环la-b限定第一和第二自由流体表面lla-b，面向内侧而朝向相应圆柱形腔6和7的对称轴X和X’。每个腔6和7内的流体的量以及叶轮叶片10a-b的径向的延伸，使得在绕转子4的所有位置上以及转子4的所有旋转位置上，叶轮叶片10a-b在每个腔6和7内分别地延伸入液环la-b中。所以，在第一圆柱形腔6中的每个室12a的体积被邻近的叶轮叶片10a、第一和第二端部板以及第一自由流体表面Ila所限定。这一体积包含气体。相应地，第二圆柱形腔7中的每个室12b的气体体积被邻近的叶轮叶片10b、第一和第二端部板以及第二自由流体表面Ilb所限定。
[0027]由于转子4的旋转轴y相对于圆柱形腔6和7的对称轴x和X’具有一定偏移，每个室12a_b的气体体积在转子4相对于壳体3旋转的过程中随着自由流体表面lla_b的位置相对于叶轮叶片10a-b的变化而周期性地变化。根据所描述的实施方式的多种不同的配置，第一圆柱形腔6中的室12a的气体体积的变化以及第二圆柱形腔7中的室12b的气体体积的变化(第一圆柱形腔6中的室12a与第二圆柱形腔7中的室12b具有流体连通)将以相位差α互相追随。
[0028]在根据图1A-C的实施方式中，由于第一和第二圆柱形腔6-7的室通过轴向通路13流体连通，并且第一和第二圆柱形腔6-7的各自的对称轴互相具有一定偏移且转子的转轴y在两对称轴之间，所以该相位差为180°。
[0029]在图1A示出的实例中，转子4的圆柱形体在转子4内部限定第一和第二圆柱形转子腔，该转子腔被转子壁5分隔开。转子4的端部板径向地向内延伸，以形成第一和第二圆柱形转子腔的端部板，这样由于受到离心力的影响，使得在装置的操作中转子腔可以在其中包括或容纳流体。液环装置I包括第一和第二泵或泵送装置23、22，第一和第二泵或泵送装置23、22被设置为用于在操作中将流体由液环lla-b (图1B和1C)输送至转子腔。喷嘴19由转子腔穿过细长的圆柱形转子体延伸，用于由转子腔向每个室12a-b喷射流体(图1B和1C)。流体的喷射由转子4旋转时产生在液体上的离心力驱动。向室中的气体喷射液体的目的在于加强每个室12a-b的体积中的流体和气体之间的热传递。
[0030]在替代性实施方式中，或除转子腔和喷嘴之外，转子4可以包括薄板形式的热传导板，其位于每个室12a_b中，由圆柱形转子体径向地向外延伸，以增加转子4在每个室12a_b中的表面积，并且加强腔中的流体和每个室12a_b的体积中的气体之间的热传递。
[0031]第一和第二圆柱形腔6、7连接至第一和第二外部换热器16、15，用于对分别位于腔6、7中的流体加热或由分别位于腔6、7中的流体散热。在示出的实例中，外部换热器连接至第一和第二泵或泵送装置23、22，第一和第二泵或泵送装置23、22被设置为用于将液体由液环la-b输送至转子腔。
[0032]图2示出液环系统的第二实施方式，适用于布雷顿类发动机或热泵。图2A示出该液环系统的侧视图。第一腔6和第二腔7互相共轴，并被腔壁9分隔开。转子4安装在壳体3内，具有转子壁5。在转子4的腔内，形成有流体连通13，流体连通13的设置方式使得制造与图1A、1B及IC中不同的相位差成为可能。壳体3和转子4中的一个可以旋转或壳体3和转子4均可以旋转。第一腔6为液环系统的热侧。通过流体连通13，第一腔6中的压缩气室12a中密封的气体以180°相位差被输送至第二腔7中的膨胀气室12b中。第二腔7为液环系统的冷侧。气体在流体连通13中的运动与热泵相似。随着转子4的旋转，流体可以被通过喷射喷嘴19被喷射。图2B示出液环系统沿C-C截面的横截面图。多个气室12形成在叶轮叶片10与液环I之间。如图2B所示，气室12部分地由液环I的内表面11限定。
[0033]另一个关键元件为半循环膨胀器。这带来了多种优势，其一为压缩和膨胀通过一个室与至少另一个室具有流体连通而完成在转子4的整个360°循环中，其由液体孔口(例如，24a-d)控制，该液体孔口在转子4的360°循环中打开180°关闭180°。也就是说，当一个室结束填充循环，液体孔口打开与另一个室的流体连通，该另一个室正开始填充循环。相同的现象也适用于与另一个室具有流体连通的压缩室，区别在于该种情况下为排空循环。
[0034]图3A和图3B不出液环系统的第三实施方式,适用于布雷顿类发动机或热泵。这一实施方式提供一系列布雷顿循环的应用，其允许通过第一腔6中的气室12的连续的压缩以及同时进行的通过第二腔7中的气室12b的连续的膨胀，并且有助于止回阀28与液体孔口 24的正时。图3A示出转子4的横截面，对应于转子4的360°循环中的一个点。当来自膨胀气室12c-d的液体孔口 24c-d正在打开(例如，见图3B中的阀24d)的同时，假设转子4在图3B中顺时针旋转，来自压缩气室12a-b的液体孔口 24a_b正在关闭(例如，见图3B中的阀24a)。根据相应的室(例如，室12a)的压力，腔6中的止回阀(例如，28a)顺次打开和关闭。压缩气室12a中的气体被压缩并输送至膨胀气室12b，随后膨胀气室12b变为压缩室。随着液体孔口在转子4的360°循环中的180°打开180°关闭，以调节流经液环系统的气体流量，室12b中的气体随后穿过腔7中的室12c以及连接的室顺次膨胀。箭头指示气体在转子4的360°循环中由一个气室12向另一个气室12的运动。第一腔6由冷却水、外部空气或相似物冷却。第二腔7中的流体可以包括液态盐或其它适用的流体，且可以通过外部热源(图中未示出)被加热。适用于开式循环布雷顿发动机以及开式循环斯特林发动机的液环的关键元件之一为液体孔口 24。图3B示出第三实施方式的沿D-D线的横截面图。该实施方式的转子4具有带止回阀28的流体连通。
[0035]图4示出液环系统的第四实施方式，适用于闭式循环斯特林类发动机。该实施方式示出发动机的俯视横截面图。适用的布雷顿类发动机与适用的斯特林类发动机的主要区别在于蓄热器(regenerator) 14的存在。在这种实施方式中,转子4具有位于转子腔内的第一换热器15以及第二换热器16,其间夹有蓄热器14。膨胀室12a中的气体通过第一换热器15、蓄热器14以及第二换热器16穿过流体连通13，而达到压缩室12b。这两个室具有0°至180°度之间的相位差(例如，图4中的示出的实施方式为约90° )。
[0036]图5不出根据本发明的液环系统的第五实施方式,该液环系统具有互相偏心布置的两个液环腔，适用于斯特林类发动机的应用；图5 (A)示出该液环系统的侧视图，图5 (B)示出沿图5(A)中的F-F线的横截面图，以及图5 (C)示出沿图5(A)中的E-E线的横截面图。图5中的液环系统包括液环Ia和lb、外壳或壳体3、流体2、转子4、蓄热器14、具有互相偏移的对称轴X和X’的第一和第二圆柱形腔6和7、分隔开两个腔中的流体2的固定壁
9、叶轮叶片10a-b、在各自腔中的液体-气体表面Ila和lib、气室12a_d、旋转轴y、轴承25a-b，以及用于使压缩室12c中的气体穿过蓄热器14移动至膨胀室12d的流体连通13。
[0037]图6不出根据本发明的液环系统的第六实施方式,该液环系统具有互相共轴布置的两个液环腔，以90°相位差沿转子轴的轴线并螺旋地围绕该轴线延伸的流体连通，适用于斯特林类发动机的应用。图6 (A)示出该液环系统的侧视图，图6 (B)示出沿图6 (A)中的H-H线的横截面图，以及图6 (C)示出沿图6 (A)中的G-G线的横截面图。图6 (D)示出转子4的螺旋轴的侧视图，并示出了流体连通13。图6中的液环系统包括液环Ia和lb、外壳或壳体3、流体2、转子4、蓄热器14、具有与旋转轴y偏移的对称轴x和X’的第一和第二圆柱形腔6和7、分隔开两个腔中的流体2的固定壁9、叶轮叶片10a-b、在各自腔中的液体-气体表面Ila和lib、气室12a_b、轴承25a_b，以及用于使压缩室中的气体穿过蓄热器14移动至膨胀室的流体连通13。
[0038]图7不出根据本发明的液环系统的第七实施方式,该液环系统具有互相共轴布置的三个液环腔以及以90°相位差沿转子轴的轴线并螺旋地围绕该轴线延伸的流体连通，适用于斯特林类发动机或维勒米尔(VM)热泵的应用。图7 (A)示出该液环系统的侧视图。图7 (B)示出沿图7 (A)中的J-J线的横截面图，以及图7 (C)示出沿图7 (A)中的1-1线的横截面图，以及图7 (D)示出转子4的轴的侧视图，并示出了两个流体连通13 (见图7A)。图7中的液环系统包括液环Ia和lb、外壳或壳体3、流体2、转子4、蓄热器14、具有与旋转轴I偏移的对称轴X和X’的第一、第二和第三圆柱形腔6、7和8、分隔开每个腔中的流体2的固定壁9a_b、叶轮叶片10a-b、在其中两个腔中的液体-气体表面Ila和lib、气室12a_d、旋转轴y、轴承25a-b，以及用于使压缩室中的气体穿过蓄热器14移动至膨胀室的流体连通13a_b。
[0039]图8不出根据本发明的液环系统的第八实施方式,该液环系统具有互相共轴布置的两个液环腔，适用于开式循环斯特林类发动机(包括扩展的热源)的应用。双斜线33表示该连通为相似的连通，但具有90°相位移而垂直于该图的平面。当室的气体体积膨胀时，空气穿过止回阀28a由外部被吸入压缩室21。空气被压缩并穿过液体孔口 24a流动至蓄热器
14。随后当空气经过蓄热器14时，空气被加热。随后被加热的空气穿过液体孔口 24b流动进入室20。热空气在室20中膨胀并穿过液体孔口 24c流出，并且通过流体连通13穿过燃烧室30的热炉32。气体在燃烧室30中被加热，并被绕轴室(spool cell) 45吸入而穿过气体连通34而进入腔46中。热气体穿过液体孔口 24d，而后进入并穿过蓄热器14，沿着与之前相反的方向。当热的气体流过蓄热器14时，其冷却下来。来自蓄热器14的冷气体进一步被绕轴室45穿过液体孔口 24e吸入并穿过止回阀28b被排放至外部。图8A中的液环系统包括液环1、外壳3、流体2、转子4、分隔开冷却水和热熔液体盐的固定壁9、叶片或叶轮叶片10、液体-气体表面11、气室12、旋转轴42、液体孔口 24a-e、轴承25、止回阀28a-d、螺旋输送器29、生物质或垃圾燃料27、输送器电机31、蓄热器14，以及旋转壁35。
[0040]图9示出根据本发明的液环系统的第九实施方式，该液环系统具有单个液环腔，适用于变压吸附(PSA)应用。图9 (A)示出该液环系统的侧视图，图9 (B)示出图9 (A)中的液环系统的沿L-L线的横截面图。在常规的气体分离装置中，用于气体压缩的能量为主要的成本。该系统包括具有行星运动的变压吸附(PSA)气体分离器，包括液体孔口 24、配重43、原料气体进口 26、气体组分出口 39a-b、轴承25a_b、转子4、行星驱动的驱动轴40、液体
2、PSA矩阵41、用于排放少量吸收的气体组分的止回阀口 28、齿轮44、转子4的驱动轴42、旋转壳体3，以及与另一部分的另一室的连通33。
[0041]在行星运动中，转子的旋转轴绕液环的旋转轴运动。在优选的实施方式中，液环的旋转轴以及转子的旋转轴为平行的。在行星运动中，存在两个角速度《I和ω2，以及两个径矢Rl和R2。所述两旋转轴之间的距离Rl为偏心率。转子的半径为R2。ω I为Rl的角速度，ω2为R2的角速度。ε为转子端部与外壳内壁之间的最小距离。内部空间(包含液环)的半径至少为R1+R2+ε。当顺时针旋转时，ω?和ω2>0。当ω 2=0，无泵送发生，也就是说，就像月亮总向地球展示相同的一侧一样。当ω2古0，发生泵送功能。液环的转速大约与转子端部的速度相同(也就是，大约为《1[R1+R2] + ?2R2)。使用这种装置，所述液体活塞的往复运动的频率可以独立于液环速度而被调节。这一系统使得能够将液环速度保持在优选速度以保持尽可能小的摩擦，并且同时保持足够的(离心力造成的)压力梯度以将气体密封在室中。在一些应用中(例如PSA)，由于吸附剂需要一定时间来吸附和解吸气体，所以需要低的泵频率。在另一些应用中，需要高的泵频率以及低的液体速度(例如，当需要最小的摩擦损耗和大量的被泵送流体时)。
[0042]图10A-D示出根据本发明的液环系统的第十实施方式，适用于作为液体孔口阀的应用。液环式开式循环斯特林发动机以及液环式布雷顿装置中的关键元件之一为图10中的小量液体孔口。图1OA和IOB中的小量液体孔口 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。图1OC和IOD中的小量液体孔口 24b包括位于较大管道中的小管道36，具有入口管道37b和出口管道38b。每个管道24a和24b的开放端始终没入液体2中。典型地，壁36a (图1OA和10B)或小管道36b (图1OC和10D)的端部位于流体2的最高液体表面和最低液体表面之间的中间。在另一端，阀24的一个管道连接至一个室，而阀24的另一个管道连接至另一个室。在图1OA和图1OB中，入口管道37a连接至一个室，而出口管道38a连接至另一个室。在图1OC和图1OD中，大管道通过出口管道38b连接至一个室，而小管道(也就是，入口管道37b)连接至另一个室。往复运动的液体起到小量液体孔口的作用，其中当液体表面低(图1OA和10C)时具有自由气体流动(也就是“打开”状态)，当液体表面高(图1OB和10D)时无气体流动(也就是“关闭”状态)。
[0043]虽然根据本发明的液环系统具有基于常规的液环系统的发明构思，但其提供一些不同的元件并要求不同的操作。在优选的实施方式中，该液环系统具有第一圆柱形腔以及第二圆柱形腔，第一圆柱形腔和第二圆柱形腔均具有叶轮和多个形成在叶轮叶片之间的室。进一步，该系统具有至少一个位于第一腔中的室，该室与位于第二腔中的至少一个室具有流体连通。更具体地，该流体连通以α度(α>0)相位差形成在至少一个位于第一腔中的室以及位于第二腔中的至少一个室的正排量(positive displacement)空间之间。当这样的流体连通形成在两个腔中所有可能的室之间时，由于每对室均可被利用而提供液环系统的有效操作，所以这样的流体连通尤为有优势。
[0044]在本发明的另一实施方式中，第一腔的几何轴线相对于第二腔的几何轴线被径向地偏移，且流体连通通过实质上沿轴向在第一和第二圆柱形腔中的室之间延伸的液体的通路而形成。在本发明的另一实施方式中，第一圆柱形腔的几何轴线与第二圆柱形腔的几何轴线相同，且流体连通通过在第一和第二圆柱形腔中的室之间螺旋地延伸的液体的通路而形成。所以，相位差α可以被获得，相位差α可以是90°、180°或者45°至180°之间的任意值。
[0045]至于外壳，其可以是封闭的，这样使得液体和气体在第一和第二圆柱形腔中保持相对于环境压力的高压。换热器可以被设置在第一圆柱形腔的室和第二圆柱形腔的室之间，这样热交换位于室中的液体和气体之间。换热器可以包括多个液体喷射喷嘴和/或热传导板。
[0046]外壳可以进一步包括第三圆柱形腔，其中具有液体和转子，该转子可以包括多个第三叶轮叶片，第三叶轮叶片形成位于第三圆柱形腔中的多个室，其中位于第二圆柱形腔中的至少第一室可以与位于第三圆柱形腔中的一个室具有相位差为α度(其中α>0°，例如，α=90°或180° )的流体连通。所以该装置可以形成热机和热泵的作为一个整体的结合(例如，单个或集成的单元)。
[0047]圆柱形腔可以具有共同的对称轴，以及壳体可以旋转或被设置为绕共同的对称轴旋转。当设备运转时，液环可以通过这样的设置被形成，而不依赖于叶轮叶片。
[0048]流体可以包括水、盐溶液、气体(H2、He、NH3、空气、氩气等)、气相流体、CO2, CO2与具有低于_78°C的熔点的有机液的组合物、深冷液体(例如，液态空气、液氮、氟利昂等)和/或高温液体(例如，熔融盐(如，NaCl、KCl、KBr、NaF, BeF2, NaN03> KNO3,以及其组合物等))或熔融金属(Hg、Al、Zn、Cd、碱金属、Mg、Ag、Au、Sn、Pb、Ga、In，以及其合金，如镓铟锡合金(galinstan)、伍德合金(wood’ s metal)等)。
[0049]液环装置的优选的实施方式已经被描述。然而，本领域技术人员能意识到这些实施方式可以在权利要求的范围内变动，而不偏离发明构思。上文所述的所有替代性实施方式或实施方式中的零部件，可以不偏离发明构思被自由地组合而不偏离发明构思，只要该种组合并不冲突。
[0050]在多种实施方式中，液环装置可以包括至少一个液环叶轮，且至少一个位于液环叶轮中的室包括另一个正排量空间。通过相同的叶轮形成的室可以流体连通，并且通过不同的叶轮形成的室可以流体连通并具有共同的旋转轴。在进一步的实施方式中，一些叶轮可以在相同的液环中，且这些叶轮可以形成有流体连通的室。
[0051]具有连通的成对的室可以为具有孔口的开环斯特林装置的部分。在一些液环装置中，该孔口在装置的循环中的某个角度打开。在一种示例性液环装置中，至少一个孔口为液体孔口。根据多种实施方式的进一步的液环装置包括多个液体孔口，其中该液体孔口位于分离的液环的部分中。
[0052]在本液环装置中，至少一对室可以适用于变压吸附(PSA)的应用。在这些实施方式中的任意之一中，流体连通的室可以具有不同的大小。在液环装置的进一步的实施方式中，流体连通的室可以适用于180°相位差。
[0053]在液环装置中，具有流体连通的室的转子上的多个叶轮可以位于分离的圆柱型空间中，所述空间具有单独的液环。在这些实施方式中的任意之一中，液环装置可以具有可旋转的壳体。
[0054]在一些实施方式中，至少一个与其它室具有流体连通的室可以具有与该其它室的最小体积有相位差的气体的最小体积。在多种实例中，该相位差大于0° (例如，90°或180。)。
[0055]液环装置可以包括两室之间的连接，该连接包括换热器，在换热器中气体与外部热源或散热器进行热交换。在一些实施方式中，液环装置中的换热器可以包括(i )第一流体，包括水、卤水或CO2 ; (ii)低温液体；和/或(iii)高温液体。例如,低温液体可以包括液态空气或液氮，而高温液体可以包括熔融盐或熔融金属。
[0056]一种发动机可以包括根据这些实施方式中的任意一种的液环装置。该发动机可以通过内部燃烧运作，其中燃料被供应至至少一个室中，或替代性地，通过外部燃烧运作。例如，该燃料可以包括甲烷或生物质。一种示例性的液环式四冲程发动机可以包括根据本发明的实施方式的发动机，具有圆形液环截面以及椭圆形叶轮截面。
[0057]在液环装置的多种实施方式中，换热器可以包括流体喷射喷嘴和/或用于在室中的流体之间传热的热传导板。一种示例性的液环装置可以包括至少一个具有用于PSA(变压吸附)的分子筛的室，且特别地，其中连通包括用于PSA的分子筛。液环式参数化PSA装置的多种实施方式包括根据本段的液环装置，这种装置具有多于三个的流体连通的室，其中原料气被供应至中间室，较少量被吸附的气体由一个或多个位于转子一端部的室被取出，较大量被吸附的气体由一个或多个位于转子另一端部的室被取出。液环式参数化PSA装置的进一步的实施方式可以包括根据分子筛和取出气的纯度不同而不同的多个室。
[0058]在包括叶轮的示例性液环装置中，该叶轮可以包括(i)轴，该轴在垂直于该轴的平面上呈圆形运动，(ii)转速，该转速可以独立于液环的圆周速度而被调节，其中液环的圆周速度适应于室中的工作压力，以及(iii)循环频率，该循环频率可以被调节以适应分子筛的吸附速度。
【权利要求】
1.一种液环系统,包括: 壳体，适用于容纳液体； 转子，安装在所述壳体内部，所述转子和所述壳体接合所述液体以形成液环，所述液环具有内部气体-液体表面，且所述转子具有多个气室，所述气室部分地由液环中的液体限定，且每个所述室的至少一个壁由所述液环的内部气体-液体表面的一部分构成； 其中所述内部气体-液体表面的所述部分相对于所述转子的旋转轴进行径向的往复运动； 至少一个所述室与至少一个与所述转子集成的正排量气体空间流体连通； 多个气室流体连通，所述多个气室在流体连通的气室的最小气体体积之间具有相位差，所述相位差为0°至±180°之间，包括±180° ;以及 所述液体包括水、CO2、NH3、CH4、氟利昂、液态空气、熔融盐或熔融金属。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述转子进行行星运动，且所述转子的旋转轴绕所述液环的旋转轴运动，以使所述转子的泵频率能够独立于液环速度而变化。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述壳体容纳至少两个单独的液环，其中液体密封的气室与每个液环流体连通。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述正排量空间位于波纹管、带活塞的缸、叶片装置中的室、外摆线或内摆线装置中。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述气室和/或流体连通件中的至少一个包括蓄热器，其中气体与(i)蓄热器和/或(ii)至少一个换热器换热，且气体进一步与外部热源、内部热源、散热器和/或分子筛换热。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述换热器包括位于所述壳体上的外部热传递凸缘、位于所述室中的流体喷射喷嘴、用于在所述室中的流体和气体之间热传递的热传导板，和/或用于在流体和气体之间热传递的金属、橡胶或塑料膜。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述换热器包括所述金属、橡胶或塑料膜，且所述金属、橡胶或塑料膜阻隔来自流体的蒸汽防止其污染气体。
8.根据权利要求5所述的系统，其中所述系统作为斯特林装置运作，且所述系统包括压缩室、连接至散热器的第一换热器、蓄热器、连接至热源的第二换热器，以及膨胀室，其中当所述热源的温度高于所述散热器的温度时所述斯特林装置作为热机运作，而当所述热源的温度低于所述散热器的温度时所述斯特林装置作为热泵运作。
9.根据权利要求5所述的系统，其中所述流体连通包括孔口，所述孔口在所述系统的循环中的一角度打开。
10.根据权利要求9所述的系统，作为内燃机运作，所述内燃机具有第一和第二室，其中所述流体连接为具有所述孔口的开环斯特林装置的一部分。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统作为布雷顿发动机运作，气体在热腔中被压缩、加热，并通过流过流体连通的多个所述气室而膨胀，且所述流体连通包括止回阀、机械阀或液体孔口。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统作为兰金发动机或热泵运作。
13.根据权利要求1所述的系统，包括流体连通的三个气室，并包括与共同压缩空间流体连通的热膨胀空间以及冷膨胀空间，且所述装置作为热驱动的热泵工作。
14.根据权利要求1所述的系统，进一步包括液体孔口，所述液体孔口包括具有往复运动的液体表面的气室，以及至少两个这样的流体连通:在所述转子的第一旋转角，连通之间具有自由通路；在所述转子的第二旋转角，连通之间具有封闭通路，所述第二旋转角等于360°减去所述第一旋转角。
15.根据权利要求1所述的系统，其中所述具有最小气体体积的流体连通的气室具有在180°旋转角的不同。
16.根据权利要求1所述的系统，其中所述气体包括空气，以及所述系统包括燃烧室，所述燃烧室加热所述空气且其具有燃料添加系统，所述燃料添加系统向所述燃烧室添加所述燃料。
17.根据权利要求16所述的系统，作为使用燃料的内燃机运作，所述燃料包括甲烷或生物质，所述燃料被供应至所述至少一个气室或所述流体连通中。
18.根据权利要求1所述的系统，其中所述流体连通包括孔口，所述孔口在所述系统的循环中的一个角度打开。
19.一种液环式参数化变压吸附(PSA)系统，包括根据权利要求18所述的液环装置，所述装置具有多个流体连通的室，其中原料气被供应至中间室，较少量的被吸附的气体由一个或多个位于转子一端部的室被取出，较大量的被吸附的气体由一个或多个位于转子另一端部的室被取出，且流体 连通的气室的数量取决于分子筛和取出气体的纯度。
【文档编号】F02G1/053GK103835835SQ201310567759
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2013年11月14日 优先权日:2012年11月23日
【发明者】S·克鲁格尔 申请人:S·克鲁格尔
【专利摘要】本发明涉及一种液环系统，包括壳体，适用于容纳液体；转子，安装在所述壳体内部，所述转子和所述壳体接合所述液体以形成液环，所述液环具有内部气体-液体表面，且所述转子具有多个气室，所述气室部分地由液环中的液体限定，且每个所述室的至少一个壁由所述液环的内部气体-液体表面的一部分构成；其中所述内部气体-液体表面的所述部分相对于所述转子的旋转轴进行径向的往复运动；至少一个所述室与至少一个与所述转子集成的正排量气体空间流体连通；多个气室流体连通，所述多个气室在流体连通的气室的最小气体体积之间具有相位差，所述相位差为0°至±180°之间，包括±180°；以及所述液体包括水、CO2、NH3、CH4、氟利昂、液态空气、熔融盐或熔融金属。
【专利说明】液环系统及其应用
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求以申请号为61/729，471、申请日为2012年11月23日的美国临时申请为基础的优先权。通过弓丨用，该申请的全部内容合并于本申请中。
【技术领域】
[0003]本发明大体上涉及用于例如热机、热泵以及变压吸附(pressure swingadsorption PSA)等应用的液环装置的系统领域。特别地,涉及这样一种液环系统,该系统包括容纳液体的外壳、安装在该外壳内部且包括至少一个叶轮的转子、通过转子或外壳旋转而形成的液环、在液环内表面与叶轮叶片之间形成的多个气室，以及例如在至少一个压缩气室以及至少一个膨胀气室之间的与转子集成的流体连通。
【背景技术】
[0004]现有技术中已知有液环装置，其原理最早见于Nash的1910年的美国专利953，222中。该装置最早的应用见于Nash的1914年的美国专利1，094，919中，该申请公开了一种基于液环装置的涡轮增压位移式发动机。迄今为止，基于液环系统的多种改进已经被公开，其中包括已发布的超过400项的美国专利，这些专利用于多种应用，例如热机、热泵以及气体压缩机等。
[0005]一般来说，液环装置包括外壳、具有叶片的可旋转的叶轮、用于气体供应的进口以及用于气体排放的出口，其中叶轮偏心地被置于外壳中，进口位于外壳的一端，而出口位于外壳的另一端。在运行过程中，液体被输送至外壳中，并且由于叶轮的旋转，该液体形成紧贴壳体内壁的液环。气体被包覆在形成在叶轮叶片与液体表面之间的室中，并且由于叶轮的旋转以及叶轮转轴与外壳轴的偏心，室中的气体体积交替的减少和增加，这就导致了气体的压缩和膨胀。
[0006]如今液环系统的应用主要包括真空泵和气体压缩机。斯特林发动机(StirlingEngines)的优势在于任意一种液态燃料均可被用于该种发动机，然而传统斯特林发动机具有制造成本高、设计复杂以及服务期间短(例如，由于密封件更换)的缺点。
[0007]根据本发明的液环系统可以被应用于斯特林发动机以及其它热机，例如，兰金发动机(Rankin Engines)、布雷顿发动机(Brayton Engines)、开式循环斯特林发动机，以及变压吸附(PSA)的应用，其中与传统斯特林发动机相比具有较少的运动零部件，并且使用液体作为密封。所以，能够实现更长的服务期间。进一步，本发明的液环系统有利于液态盐作为液环的使用，而与传统的液环系统相比，这种使用可提供增加的效率。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供一种液环系统，这种液环系统能够用于斯特林类发动机、布雷顿类发动机，或者用于变压吸附(PSA)的应用。
[0009]本发明的进一步的目的在于提供一种液体孔口阀，用于控制液体的流动。【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1不出根据本发明的液环系统的第一实施方式，该液环系统具有互相偏心布置的两个液环腔，适用于布雷顿类发动机或热泵；图1 (A)示出侧视图，图1 (B)示出沿A-A线的横截面图，以及图1 (C)示出沿B-B线的横截面图。
[0011]图2不出根据本发明的液环系统的第二实施方式,该液环系统具有互相共轴布置的两个液环腔，适用于布雷顿类发动机或热泵；图2 (A)示出侧视图，图2 (B)示出沿C-C线的横截面图。
[0012]图3不出根据本发明的液环系统的第三实施方式,该液环系统具有互相共轴布置的两个液环腔以及沿转子轴的轴线并围绕该轴线延伸的流体连通，适用于布雷顿类发动机或热泵；图3 (A)示出侧视图，图3 (B)示出沿D-D线的横截面图。
[0013]图4示出根据本发明的液环系统的第四实施方式的俯视横截面图，该液环系统具有单个液环腔，适用于闭式循环斯特林类发动机。
[0014]图5不出根据本发明的液环系统的第五实施方式,该液环系统具有互相偏心布置的两个液环腔，适用于斯特林类发动机；图5 (A)示出侧视图，图5 (B)示出沿F-F线的横截面图，以及图5 (C)示出沿E-E线的横截面图。
[0015]图6不出根据本发明的液环系统的第六实施方式,该液环系统具有互相共轴布置的两个液环腔以及以90°相位差沿转子轴的轴线并螺旋地围绕该轴线延伸的流体连通，适用于斯特林类发动机；图6 (A)示出侧视图，图6 (B)示出沿H-H线的横截面图，以及图6(C)示出沿G-G线的横截面图，以及图6 (D)示出转子轴的侧视图，并示出了流体连通。
[0016]图7不出根据本发明的液环系统的第七实施方式,该液环系统具有互相共轴布置的三个液环腔以及以90°相位差沿转子轴的轴线并螺旋地围绕该轴线延伸的流体连通，适用于斯特林类发动机或维勒米尔(VM)热泵；图7 (A)示出侧视图，图7 (B)示出沿J-J线的横截面图，以及图7 (C)示出沿1-1线的横截面图，以及图7 (D)示出转子轴的侧视图，并示出了两个流体连通。
[0017]图8不出根据本发明的液环系统的第八实施方式,该液环系统具有互相共轴布置的两个液环腔，适用于开式循环斯特林类发动机(包括扩展的热源)；图8 (A)示出侧视图，图8 (B)示出沿K-K线的横截面图。
[0018]图9示出根据本发明的液环系统的第九实施方式，该液环系统具有单个液环腔，适用于变压吸附(PSA)应用；图9 (A)示出侧视图，图9 (B)示出沿L-L线的横截面图。
[0019]图10示出根据本发明的液环系统的第十实施方式，适用于作为液体孔口阀的应用；图10 (A)示出处于打开位置的第一液体孔口阀的横截面图，图10 (B)示出处于关闭位置的第一液体孔口阀的横截面图，以及图10 (C)示出处于打开位置的第二液体孔口阀的横截面图，以及图10 (D)示出处于关闭位置的第二液体孔口阀的横截面图。
【具体实施方式】
[0020]为实现本发明的第一个目的，提供有多种液环系统，这些液环系统包括:(i )适用于容纳液体的固定的或可旋转的外壳；(ii)安装在外壳内部且包括至少一个叶轮的转子；
(iii)通过转子或外壳旋转而形成的液环；(iv)在液环内表面与叶轮叶片之间形成的多个气室，其特征在于例如其中至少一个压缩气室与至少一个与转子集成的膨胀气室之间具有流体连通。
[0021]进一步，本发明的第二个目的可以通过提供液体阀来实现，该液体阀包括具有往复运动的液体表面的小气室，以及至少两个流体连通，处于所述转子的第一转角时这些连通之间具有自由通路，处于第二角(等于360°减去第一转角)时这些连通之间具有封闭通路。
[0022]本发明将使用优选的实施方式并且结合下述对附图和权利要求的详细的说明被描述。
[0023]图1A至IC示出液环装置I的第一实施方式，液环装置I在一个实施例中可以作为液环式热泵或热机操作或起作用。图1A示出液环装置I的横截面图。液环装置I包括壳体3，壳体3包括限定第一圆柱形腔6以及第二圆柱形腔7的圆柱形部件。第一和第二圆柱形腔6和7被共用壁9分隔开。第一圆柱形腔6具有对称轴X，且第二圆柱形腔7具有对称轴X’，其中对称轴X和X’之间具有一定偏移。转子4被设置为可以在壳体3中绕旋转轴I旋转，并通过第一和第二轴承25a和25b被支撑在壳体3中。旋转轴y位于圆柱形腔的对称轴X和X’之间的中间。转子4包括在第一和第二圆柱形腔6和7之间并穿过壁9上的圆形开口延伸的细长的圆柱形体，从而限定位于第一圆柱形腔6中的转子4的第一部分4a，以及位于第二圆柱形腔7中的转子4的第二部分4b。
[0024]图1B示出转子4以及垂直于第一对称轴X的第一圆柱形腔6的沿A-A线的横截面图。转子4包括多个连接至转子4的第一部分4a的第一叶轮叶片10a。第一叶轮叶片IOa由转子4的细长的圆柱形体径向地延伸，并且可以绕其圆周均匀地分布。在示出的实施方式中，包括十二个叶轮叶片10a，其间限定第一圆柱形腔6中的十二个室12，虽然两个以上(例如，2、3、4、5、6、7、8等)的任意数量的叶片均可接受。在多个第一叶轮叶片10沿旋转轴I的每个端部上，第一组端部板18被设置为用于在轴向封闭所述室12a。
[0025]图1C示出转子4以及垂直于第二对称轴X’的第二圆柱形腔7的沿B-B线的横截面图。转子4还包括多个连接至转子4的第二部分4b的第二叶轮叶片10b。第二叶轮叶片IOb由转子4的细长的圆柱形体径向地延伸，并且可以绕其圆周均匀地分布。在示出的实施方式中，包括十二个叶轮叶片10b，其间限定第二圆柱形腔7中的十二个室12b，虽然两个以上(例如，2、3、4、5、6、7、8等)的任意数量的叶片均可接受。在多个第二叶轮叶片IOb沿旋转轴I的每个端部上，第二组端部板被设置为用于在轴向封闭室12b。
[0026]通过轴向地限定在转子4的圆柱形体中的通路13 (图1A)，第一圆柱形腔6中的每个室12a (图1B)与第二圆柱形腔7中的对应的室12b (图1C)连通。所以，在示出的实例中，在转子4的圆柱形体上的通路13的数量也为十二，通路13的数量大体上与室的数量匹配或相对应，一般其比值为1/1至1/6。在操作中，第一和第二圆柱形腔6和7包括或容纳液体，例如水和/或空气等。转子4为可旋转的，且第一和第二圆柱形腔6和7中的流体2分别被第一和第二叶轮叶片IOa和IOb带动而旋转。通过离心力，第一和第二圆柱形腔6和7中的液体随后在第一和第二圆柱形腔6和7中分别形成第一和第二液环Ia和Ib (图1B和1C)。第一和第二液环la-b限定第一和第二自由流体表面lla-b，面向内侧而朝向相应圆柱形腔6和7的对称轴X和X’。每个腔6和7内的流体的量以及叶轮叶片10a-b的径向的延伸，使得在绕转子4的所有位置上以及转子4的所有旋转位置上，叶轮叶片10a-b在每个腔6和7内分别地延伸入液环la-b中。所以，在第一圆柱形腔6中的每个室12a的体积被邻近的叶轮叶片10a、第一和第二端部板以及第一自由流体表面Ila所限定。这一体积包含气体。相应地，第二圆柱形腔7中的每个室12b的气体体积被邻近的叶轮叶片10b、第一和第二端部板以及第二自由流体表面Ilb所限定。
[0027]由于转子4的旋转轴y相对于圆柱形腔6和7的对称轴x和X’具有一定偏移，每个室12a_b的气体体积在转子4相对于壳体3旋转的过程中随着自由流体表面lla_b的位置相对于叶轮叶片10a-b的变化而周期性地变化。根据所描述的实施方式的多种不同的配置，第一圆柱形腔6中的室12a的气体体积的变化以及第二圆柱形腔7中的室12b的气体体积的变化(第一圆柱形腔6中的室12a与第二圆柱形腔7中的室12b具有流体连通)将以相位差α互相追随。
[0028]在根据图1A-C的实施方式中，由于第一和第二圆柱形腔6-7的室通过轴向通路13流体连通，并且第一和第二圆柱形腔6-7的各自的对称轴互相具有一定偏移且转子的转轴y在两对称轴之间，所以该相位差为180°。
[0029]在图1A示出的实例中，转子4的圆柱形体在转子4内部限定第一和第二圆柱形转子腔，该转子腔被转子壁5分隔开。转子4的端部板径向地向内延伸，以形成第一和第二圆柱形转子腔的端部板，这样由于受到离心力的影响，使得在装置的操作中转子腔可以在其中包括或容纳流体。液环装置I包括第一和第二泵或泵送装置23、22，第一和第二泵或泵送装置23、22被设置为用于在操作中将流体由液环lla-b (图1B和1C)输送至转子腔。喷嘴19由转子腔穿过细长的圆柱形转子体延伸，用于由转子腔向每个室12a-b喷射流体(图1B和1C)。流体的喷射由转子4旋转时产生在液体上的离心力驱动。向室中的气体喷射液体的目的在于加强每个室12a-b的体积中的流体和气体之间的热传递。
[0030]在替代性实施方式中，或除转子腔和喷嘴之外，转子4可以包括薄板形式的热传导板，其位于每个室12a_b中，由圆柱形转子体径向地向外延伸，以增加转子4在每个室12a_b中的表面积，并且加强腔中的流体和每个室12a_b的体积中的气体之间的热传递。
[0031]第一和第二圆柱形腔6、7连接至第一和第二外部换热器16、15，用于对分别位于腔6、7中的流体加热或由分别位于腔6、7中的流体散热。在示出的实例中，外部换热器连接至第一和第二泵或泵送装置23、22，第一和第二泵或泵送装置23、22被设置为用于将液体由液环la-b输送至转子腔。
[0032]图2示出液环系统的第二实施方式，适用于布雷顿类发动机或热泵。图2A示出该液环系统的侧视图。第一腔6和第二腔7互相共轴，并被腔壁9分隔开。转子4安装在壳体3内，具有转子壁5。在转子4的腔内，形成有流体连通13，流体连通13的设置方式使得制造与图1A、1B及IC中不同的相位差成为可能。壳体3和转子4中的一个可以旋转或壳体3和转子4均可以旋转。第一腔6为液环系统的热侧。通过流体连通13，第一腔6中的压缩气室12a中密封的气体以180°相位差被输送至第二腔7中的膨胀气室12b中。第二腔7为液环系统的冷侧。气体在流体连通13中的运动与热泵相似。随着转子4的旋转，流体可以被通过喷射喷嘴19被喷射。图2B示出液环系统沿C-C截面的横截面图。多个气室12形成在叶轮叶片10与液环I之间。如图2B所示，气室12部分地由液环I的内表面11限定。
[0033]另一个关键元件为半循环膨胀器。这带来了多种优势，其一为压缩和膨胀通过一个室与至少另一个室具有流体连通而完成在转子4的整个360°循环中，其由液体孔口(例如，24a-d)控制，该液体孔口在转子4的360°循环中打开180°关闭180°。也就是说，当一个室结束填充循环，液体孔口打开与另一个室的流体连通，该另一个室正开始填充循环。相同的现象也适用于与另一个室具有流体连通的压缩室，区别在于该种情况下为排空循环。
[0034]图3A和图3B不出液环系统的第三实施方式,适用于布雷顿类发动机或热泵。这一实施方式提供一系列布雷顿循环的应用，其允许通过第一腔6中的气室12的连续的压缩以及同时进行的通过第二腔7中的气室12b的连续的膨胀，并且有助于止回阀28与液体孔口 24的正时。图3A示出转子4的横截面，对应于转子4的360°循环中的一个点。当来自膨胀气室12c-d的液体孔口 24c-d正在打开(例如，见图3B中的阀24d)的同时，假设转子4在图3B中顺时针旋转，来自压缩气室12a-b的液体孔口 24a_b正在关闭(例如，见图3B中的阀24a)。根据相应的室(例如，室12a)的压力，腔6中的止回阀(例如，28a)顺次打开和关闭。压缩气室12a中的气体被压缩并输送至膨胀气室12b，随后膨胀气室12b变为压缩室。随着液体孔口在转子4的360°循环中的180°打开180°关闭，以调节流经液环系统的气体流量，室12b中的气体随后穿过腔7中的室12c以及连接的室顺次膨胀。箭头指示气体在转子4的360°循环中由一个气室12向另一个气室12的运动。第一腔6由冷却水、外部空气或相似物冷却。第二腔7中的流体可以包括液态盐或其它适用的流体，且可以通过外部热源(图中未示出)被加热。适用于开式循环布雷顿发动机以及开式循环斯特林发动机的液环的关键元件之一为液体孔口 24。图3B示出第三实施方式的沿D-D线的横截面图。该实施方式的转子4具有带止回阀28的流体连通。
[0035]图4示出液环系统的第四实施方式，适用于闭式循环斯特林类发动机。该实施方式示出发动机的俯视横截面图。适用的布雷顿类发动机与适用的斯特林类发动机的主要区别在于蓄热器(regenerator) 14的存在。在这种实施方式中,转子4具有位于转子腔内的第一换热器15以及第二换热器16,其间夹有蓄热器14。膨胀室12a中的气体通过第一换热器15、蓄热器14以及第二换热器16穿过流体连通13，而达到压缩室12b。这两个室具有0°至180°度之间的相位差(例如，图4中的示出的实施方式为约90° )。
[0036]图5不出根据本发明的液环系统的第五实施方式,该液环系统具有互相偏心布置的两个液环腔，适用于斯特林类发动机的应用；图5 (A)示出该液环系统的侧视图，图5 (B)示出沿图5(A)中的F-F线的横截面图，以及图5 (C)示出沿图5(A)中的E-E线的横截面图。图5中的液环系统包括液环Ia和lb、外壳或壳体3、流体2、转子4、蓄热器14、具有互相偏移的对称轴X和X’的第一和第二圆柱形腔6和7、分隔开两个腔中的流体2的固定壁
9、叶轮叶片10a-b、在各自腔中的液体-气体表面Ila和lib、气室12a_d、旋转轴y、轴承25a-b，以及用于使压缩室12c中的气体穿过蓄热器14移动至膨胀室12d的流体连通13。
[0037]图6不出根据本发明的液环系统的第六实施方式,该液环系统具有互相共轴布置的两个液环腔，以90°相位差沿转子轴的轴线并螺旋地围绕该轴线延伸的流体连通，适用于斯特林类发动机的应用。图6 (A)示出该液环系统的侧视图，图6 (B)示出沿图6 (A)中的H-H线的横截面图，以及图6 (C)示出沿图6 (A)中的G-G线的横截面图。图6 (D)示出转子4的螺旋轴的侧视图，并示出了流体连通13。图6中的液环系统包括液环Ia和lb、外壳或壳体3、流体2、转子4、蓄热器14、具有与旋转轴y偏移的对称轴x和X’的第一和第二圆柱形腔6和7、分隔开两个腔中的流体2的固定壁9、叶轮叶片10a-b、在各自腔中的液体-气体表面Ila和lib、气室12a_b、轴承25a_b，以及用于使压缩室中的气体穿过蓄热器14移动至膨胀室的流体连通13。
[0038]图7不出根据本发明的液环系统的第七实施方式,该液环系统具有互相共轴布置的三个液环腔以及以90°相位差沿转子轴的轴线并螺旋地围绕该轴线延伸的流体连通，适用于斯特林类发动机或维勒米尔(VM)热泵的应用。图7 (A)示出该液环系统的侧视图。图7 (B)示出沿图7 (A)中的J-J线的横截面图，以及图7 (C)示出沿图7 (A)中的1-1线的横截面图，以及图7 (D)示出转子4的轴的侧视图，并示出了两个流体连通13 (见图7A)。图7中的液环系统包括液环Ia和lb、外壳或壳体3、流体2、转子4、蓄热器14、具有与旋转轴I偏移的对称轴X和X’的第一、第二和第三圆柱形腔6、7和8、分隔开每个腔中的流体2的固定壁9a_b、叶轮叶片10a-b、在其中两个腔中的液体-气体表面Ila和lib、气室12a_d、旋转轴y、轴承25a-b，以及用于使压缩室中的气体穿过蓄热器14移动至膨胀室的流体连通13a_b。
[0039]图8不出根据本发明的液环系统的第八实施方式,该液环系统具有互相共轴布置的两个液环腔，适用于开式循环斯特林类发动机(包括扩展的热源)的应用。双斜线33表示该连通为相似的连通，但具有90°相位移而垂直于该图的平面。当室的气体体积膨胀时，空气穿过止回阀28a由外部被吸入压缩室21。空气被压缩并穿过液体孔口 24a流动至蓄热器
14。随后当空气经过蓄热器14时，空气被加热。随后被加热的空气穿过液体孔口 24b流动进入室20。热空气在室20中膨胀并穿过液体孔口 24c流出，并且通过流体连通13穿过燃烧室30的热炉32。气体在燃烧室30中被加热，并被绕轴室(spool cell) 45吸入而穿过气体连通34而进入腔46中。热气体穿过液体孔口 24d，而后进入并穿过蓄热器14，沿着与之前相反的方向。当热的气体流过蓄热器14时，其冷却下来。来自蓄热器14的冷气体进一步被绕轴室45穿过液体孔口 24e吸入并穿过止回阀28b被排放至外部。图8A中的液环系统包括液环1、外壳3、流体2、转子4、分隔开冷却水和热熔液体盐的固定壁9、叶片或叶轮叶片10、液体-气体表面11、气室12、旋转轴42、液体孔口 24a-e、轴承25、止回阀28a-d、螺旋输送器29、生物质或垃圾燃料27、输送器电机31、蓄热器14，以及旋转壁35。
[0040]图9示出根据本发明的液环系统的第九实施方式，该液环系统具有单个液环腔，适用于变压吸附(PSA)应用。图9 (A)示出该液环系统的侧视图，图9 (B)示出图9 (A)中的液环系统的沿L-L线的横截面图。在常规的气体分离装置中，用于气体压缩的能量为主要的成本。该系统包括具有行星运动的变压吸附(PSA)气体分离器，包括液体孔口 24、配重43、原料气体进口 26、气体组分出口 39a-b、轴承25a_b、转子4、行星驱动的驱动轴40、液体
2、PSA矩阵41、用于排放少量吸收的气体组分的止回阀口 28、齿轮44、转子4的驱动轴42、旋转壳体3，以及与另一部分的另一室的连通33。
[0041]在行星运动中，转子的旋转轴绕液环的旋转轴运动。在优选的实施方式中，液环的旋转轴以及转子的旋转轴为平行的。在行星运动中，存在两个角速度《I和ω2，以及两个径矢Rl和R2。所述两旋转轴之间的距离Rl为偏心率。转子的半径为R2。ω I为Rl的角速度，ω2为R2的角速度。ε为转子端部与外壳内壁之间的最小距离。内部空间(包含液环)的半径至少为R1+R2+ε。当顺时针旋转时，ω?和ω2>0。当ω 2=0，无泵送发生，也就是说，就像月亮总向地球展示相同的一侧一样。当ω2古0，发生泵送功能。液环的转速大约与转子端部的速度相同(也就是，大约为《1[R1+R2] + ?2R2)。使用这种装置，所述液体活塞的往复运动的频率可以独立于液环速度而被调节。这一系统使得能够将液环速度保持在优选速度以保持尽可能小的摩擦，并且同时保持足够的(离心力造成的)压力梯度以将气体密封在室中。在一些应用中(例如PSA)，由于吸附剂需要一定时间来吸附和解吸气体，所以需要低的泵频率。在另一些应用中，需要高的泵频率以及低的液体速度(例如，当需要最小的摩擦损耗和大量的被泵送流体时)。
[0042]图10A-D示出根据本发明的液环系统的第十实施方式，适用于作为液体孔口阀的应用。液环式开式循环斯特林发动机以及液环式布雷顿装置中的关键元件之一为图10中的小量液体孔口。图1OA和IOB中的小量液体孔口 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。图1OC和IOD中的小量液体孔口 24b包括位于较大管道中的小管道36，具有入口管道37b和出口管道38b。每个管道24a和24b的开放端始终没入液体2中。典型地，壁36a (图1OA和10B)或小管道36b (图1OC和10D)的端部位于流体2的最高液体表面和最低液体表面之间的中间。在另一端，阀24的一个管道连接至一个室，而阀24的另一个管道连接至另一个室。在图1OA和图1OB中，入口管道37a连接至一个室，而出口管道38a连接至另一个室。在图1OC和图1OD中，大管道通过出口管道38b连接至一个室，而小管道(也就是，入口管道37b)连接至另一个室。往复运动的液体起到小量液体孔口的作用，其中当液体表面低(图1OA和10C)时具有自由气体流动(也就是“打开”状态)，当液体表面高(图1OB和10D)时无气体流动(也就是“关闭”状态)。
[0043]虽然根据本发明的液环系统具有基于常规的液环系统的发明构思，但其提供一些不同的元件并要求不同的操作。在优选的实施方式中，该液环系统具有第一圆柱形腔以及第二圆柱形腔，第一圆柱形腔和第二圆柱形腔均具有叶轮和多个形成在叶轮叶片之间的室。进一步，该系统具有至少一个位于第一腔中的室，该室与位于第二腔中的至少一个室具有流体连通。更具体地，该流体连通以α度(α>0)相位差形成在至少一个位于第一腔中的室以及位于第二腔中的至少一个室的正排量(positive displacement)空间之间。当这样的流体连通形成在两个腔中所有可能的室之间时，由于每对室均可被利用而提供液环系统的有效操作，所以这样的流体连通尤为有优势。
[0044]在本发明的另一实施方式中，第一腔的几何轴线相对于第二腔的几何轴线被径向地偏移，且流体连通通过实质上沿轴向在第一和第二圆柱形腔中的室之间延伸的液体的通路而形成。在本发明的另一实施方式中，第一圆柱形腔的几何轴线与第二圆柱形腔的几何轴线相同，且流体连通通过在第一和第二圆柱形腔中的室之间螺旋地延伸的液体的通路而形成。所以，相位差α可以被获得，相位差α可以是90°、180°或者45°至180°之间的任意值。
[0045]至于外壳，其可以是封闭的，这样使得液体和气体在第一和第二圆柱形腔中保持相对于环境压力的高压。换热器可以被设置在第一圆柱形腔的室和第二圆柱形腔的室之间，这样热交换位于室中的液体和气体之间。换热器可以包括多个液体喷射喷嘴和/或热传导板。
[0046]外壳可以进一步包括第三圆柱形腔，其中具有液体和转子，该转子可以包括多个第三叶轮叶片，第三叶轮叶片形成位于第三圆柱形腔中的多个室，其中位于第二圆柱形腔中的至少第一室可以与位于第三圆柱形腔中的一个室具有相位差为α度(其中α>0°，例如，α=90°或180° )的流体连通。所以该装置可以形成热机和热泵的作为一个整体的结合(例如，单个或集成的单元)。
[0047]圆柱形腔可以具有共同的对称轴，以及壳体可以旋转或被设置为绕共同的对称轴旋转。当设备运转时，液环可以通过这样的设置被形成，而不依赖于叶轮叶片。
[0048]流体可以包括水、盐溶液、气体(H2、He、NH3、空气、氩气等)、气相流体、CO2, CO2与具有低于_78°C的熔点的有机液的组合物、深冷液体(例如，液态空气、液氮、氟利昂等)和/或高温液体(例如，熔融盐(如，NaCl、KCl、KBr、NaF, BeF2, NaN03> KNO3,以及其组合物等))或熔融金属(Hg、Al、Zn、Cd、碱金属、Mg、Ag、Au、Sn、Pb、Ga、In，以及其合金，如镓铟锡合金(galinstan)、伍德合金(wood’ s metal)等)。
[0049]液环装置的优选的实施方式已经被描述。然而，本领域技术人员能意识到这些实施方式可以在权利要求的范围内变动，而不偏离发明构思。上文所述的所有替代性实施方式或实施方式中的零部件，可以不偏离发明构思被自由地组合而不偏离发明构思，只要该种组合并不冲突。
[0050]在多种实施方式中，液环装置可以包括至少一个液环叶轮，且至少一个位于液环叶轮中的室包括另一个正排量空间。通过相同的叶轮形成的室可以流体连通，并且通过不同的叶轮形成的室可以流体连通并具有共同的旋转轴。在进一步的实施方式中，一些叶轮可以在相同的液环中，且这些叶轮可以形成有流体连通的室。
[0051]具有连通的成对的室可以为具有孔口的开环斯特林装置的部分。在一些液环装置中，该孔口在装置的循环中的某个角度打开。在一种示例性液环装置中，至少一个孔口为液体孔口。根据多种实施方式的进一步的液环装置包括多个液体孔口，其中该液体孔口位于分离的液环的部分中。
[0052]在本液环装置中，至少一对室可以适用于变压吸附(PSA)的应用。在这些实施方式中的任意之一中，流体连通的室可以具有不同的大小。在液环装置的进一步的实施方式中，流体连通的室可以适用于180°相位差。
[0053]在液环装置中，具有流体连通的室的转子上的多个叶轮可以位于分离的圆柱型空间中，所述空间具有单独的液环。在这些实施方式中的任意之一中，液环装置可以具有可旋转的壳体。
[0054]在一些实施方式中，至少一个与其它室具有流体连通的室可以具有与该其它室的最小体积有相位差的气体的最小体积。在多种实例中，该相位差大于0° (例如，90°或180。)。
[0055]液环装置可以包括两室之间的连接，该连接包括换热器，在换热器中气体与外部热源或散热器进行热交换。在一些实施方式中，液环装置中的换热器可以包括(i )第一流体，包括水、卤水或CO2 ; (ii)低温液体；和/或(iii)高温液体。例如,低温液体可以包括液态空气或液氮，而高温液体可以包括熔融盐或熔融金属。
[0056]一种发动机可以包括根据这些实施方式中的任意一种的液环装置。该发动机可以通过内部燃烧运作，其中燃料被供应至至少一个室中，或替代性地，通过外部燃烧运作。例如，该燃料可以包括甲烷或生物质。一种示例性的液环式四冲程发动机可以包括根据本发明的实施方式的发动机，具有圆形液环截面以及椭圆形叶轮截面。
[0057]在液环装置的多种实施方式中，换热器可以包括流体喷射喷嘴和/或用于在室中的流体之间传热的热传导板。一种示例性的液环装置可以包括至少一个具有用于PSA(变压吸附)的分子筛的室，且特别地，其中连通包括用于PSA的分子筛。液环式参数化PSA装置的多种实施方式包括根据本段的液环装置，这种装置具有多于三个的流体连通的室，其中原料气被供应至中间室，较少量被吸附的气体由一个或多个位于转子一端部的室被取出，较大量被吸附的气体由一个或多个位于转子另一端部的室被取出。液环式参数化PSA装置的进一步的实施方式可以包括根据分子筛和取出气的纯度不同而不同的多个室。
[0058]在包括叶轮的示例性液环装置中，该叶轮可以包括(i)轴，该轴在垂直于该轴的平面上呈圆形运动，(ii)转速，该转速可以独立于液环的圆周速度而被调节，其中液环的圆周速度适应于室中的工作压力，以及(iii)循环频率，该循环频率可以被调节以适应分子筛的吸附速度。
【权利要求】
1.一种液环系统,包括: 壳体，适用于容纳液体； 转子，安装在所述壳体内部，所述转子和所述壳体接合所述液体以形成液环，所述液环具有内部气体-液体表面，且所述转子具有多个气室，所述气室部分地由液环中的液体限定，且每个所述室的至少一个壁由所述液环的内部气体-液体表面的一部分构成； 其中所述内部气体-液体表面的所述部分相对于所述转子的旋转轴进行径向的往复运动； 至少一个所述室与至少一个与所述转子集成的正排量气体空间流体连通； 多个气室流体连通，所述多个气室在流体连通的气室的最小气体体积之间具有相位差，所述相位差为0°至±180°之间，包括±180° ;以及 所述液体包括水、CO2、NH3、CH4、氟利昂、液态空气、熔融盐或熔融金属。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述转子进行行星运动，且所述转子的旋转轴绕所述液环的旋转轴运动，以使所述转子的泵频率能够独立于液环速度而变化。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述壳体容纳至少两个单独的液环，其中液体密封的气室与每个液环流体连通。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述正排量空间位于波纹管、带活塞的缸、叶片装置中的室、外摆线或内摆线装置中。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述气室和/或流体连通件中的至少一个包括蓄热器，其中气体与(i)蓄热器和/或(ii)至少一个换热器换热，且气体进一步与外部热源、内部热源、散热器和/或分子筛换热。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述换热器包括位于所述壳体上的外部热传递凸缘、位于所述室中的流体喷射喷嘴、用于在所述室中的流体和气体之间热传递的热传导板，和/或用于在流体和气体之间热传递的金属、橡胶或塑料膜。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述换热器包括所述金属、橡胶或塑料膜，且所述金属、橡胶或塑料膜阻隔来自流体的蒸汽防止其污染气体。
8.根据权利要求5所述的系统，其中所述系统作为斯特林装置运作，且所述系统包括压缩室、连接至散热器的第一换热器、蓄热器、连接至热源的第二换热器，以及膨胀室，其中当所述热源的温度高于所述散热器的温度时所述斯特林装置作为热机运作，而当所述热源的温度低于所述散热器的温度时所述斯特林装置作为热泵运作。
9.根据权利要求5所述的系统，其中所述流体连通包括孔口，所述孔口在所述系统的循环中的一角度打开。
10.根据权利要求9所述的系统，作为内燃机运作，所述内燃机具有第一和第二室，其中所述流体连接为具有所述孔口的开环斯特林装置的一部分。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统作为布雷顿发动机运作，气体在热腔中被压缩、加热，并通过流过流体连通的多个所述气室而膨胀，且所述流体连通包括止回阀、机械阀或液体孔口。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统作为兰金发动机或热泵运作。
13.根据权利要求1所述的系统，包括流体连通的三个气室，并包括与共同压缩空间流体连通的热膨胀空间以及冷膨胀空间，且所述装置作为热驱动的热泵工作。
14.根据权利要求1所述的系统，进一步包括液体孔口，所述液体孔口包括具有往复运动的液体表面的气室，以及至少两个这样的流体连通:在所述转子的第一旋转角，连通之间具有自由通路；在所述转子的第二旋转角，连通之间具有封闭通路，所述第二旋转角等于360°减去所述第一旋转角。
15.根据权利要求1所述的系统，其中所述具有最小气体体积的流体连通的气室具有在180°旋转角的不同。
16.根据权利要求1所述的系统，其中所述气体包括空气，以及所述系统包括燃烧室，所述燃烧室加热所述空气且其具有燃料添加系统，所述燃料添加系统向所述燃烧室添加所述燃料。
17.根据权利要求16所述的系统，作为使用燃料的内燃机运作，所述燃料包括甲烷或生物质，所述燃料被供应至所述至少一个气室或所述流体连通中。
18.根据权利要求1所述的系统，其中所述流体连通包括孔口，所述孔口在所述系统的循环中的一个角度打开。
19.一种液环式参数化变压吸附(PSA)系统，包括根据权利要求18所述的液环装置，所述装置具有多个流体连通的室，其中原料气被供应至中间室，较少量的被吸附的气体由一个或多个位于转子一端部的室被取出，较大量的被吸附的气体由一个或多个位于转子另一端部的室被取出，且流体 连通的气室的数量取决于分子筛和取出气体的纯度。
【文档编号】F02G1/053GK103835835SQ201310567759
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2013年11月14日 优先权日:2012年11月23日
【发明者】S·克鲁格尔 申请人:S·克鲁格尔
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