多級液壓氣體壓縮/膨脹系統和方法

2023-06-14 11:36:51 3

專利名稱：多級液壓氣體壓縮/膨脹系統和方法
技術領域：
本發明涉及高效率地產生高壓氣體的方法和將加壓氣體的勢能轉換為機械功以及反過來的方法，以及可逆自控制液壓系統，該可逆自控制液壓系統通過執行連續的高效 率壓縮/膨脹而將壓縮氣體(特別地是空氣)的壓力能直接轉換為機械功，並且反之亦然。
背景技術：
在說明書的末尾給出在這部分中引用的參考文獻清單。本發明涉及高壓空氣的產生，該高壓空氣用於呼吸目的(醫療、潛水等)或用作用 於各種空氣動力工具和工業工藝的動力源或動力傳輸。本發明也涉及如在壓縮空氣提供動 力的小汽車中那樣將壓縮空氣用作能量存儲介質，或者例如用來規避諸如太陽能和風能的 一些可再生能源的間歇特性。壓縮空氣的勢能通常通過首先將其轉換為機械功而被利用。為了這個目的，已經 提出兩種主要類型的能量轉換系統僅有的活性流體是空氣的純氣動轉換系統；和將至少 一種液體(油、水)用作活性流體的液壓氣動轉換系統。氣動轉換系統氣動轉換是為了能量轉換目的而利用壓縮空氣的第一種(並且仍然是僅有的商 業上可獲得的)轉換方案。對於低和中功率範圍或高壓縮比，它存在於主要使用正排量(或 容積式)空氣機器來產生壓縮空氣並且以後從其提取能量。在這些機器中，工作室中的工 作流體的體積的改變產生機械構件的相當位移，因此傳輸能量並且反之亦然。因此，與運動 (或渦輪)機器中不一樣，流體的動力效應不重要，其中在運動(或渦輪)機器中，工作流體 的動能轉換為機械運動以及反過來。存在兩種主要類型的容積式機器如瓣片、葉片和螺旋機器的旋轉機器。如膜片和活塞機器的往復機器。在大多數高功率和壓力比範圍內，活塞式因為其 較高的效率和壓力比因此是常用的。由於難以在這些工作室中實現等溫過程，因此壓縮/膨脹過程被細分為數個級並 且熱交換器插在其間。因此，取決於熱交換器的性能，完整的循環或多或少接近等溫循環。 這個原理與19世紀在推進中第一次應用壓縮空氣一樣古老並且它在今天隨著壓縮空氣提 供動力的小汽車的新發展而得到更多關注和改進[1]。然而，由於在壓縮/膨脹室中實施良 好的熱交換的困難以及與空氣的氣體性質相關的重要的洩漏和摩擦，這種轉換系統的壓力 等級和轉換效率仍然較低並且使其對於大多數能量應用來說比較低效。液壓-氣動轉換由於液壓機器不具有上述問題並且因此具有很高的轉換效率，因此已經研究了使 用液壓機器來規避純空氣機器的缺點。使用液壓系統來壓縮/膨脹空氣的主要難題中的一 個是液體到空氣的界面。第一種方案已經由Cyphelly & al.提出並且以縮寫詞「BOP batteries with Oil-hydraulics and Pneumatics」在[2]，[3]中被描述。在這種系統中，在集成「薄板熱交換器」的交替的液體活塞工作室中壓縮/膨脹空氣。在壓縮期間，薄板將熱從氣體頂部傳 遞到液體底部，在膨脹期間相反。然而，良好的熱交換將需要高密度的板，這是不容易實現 的。最近，另一種方案已經被Rufer & al.申請專利權，在該方案的作為主要原創提議 的工作室中，通過以「淋浴」的形式在室中噴射液體而執行壓縮，允許快速且有效地吸收壓 縮熱[4]。然而，這種方案在膨脹期間需要外部液體循環泵來再加熱空氣。在兩種情況下都有這樣的擔心，即由於兩種流體之間的直接接觸而使空氣擴散到 液體中。此外，這些液壓-氣動系統由於它們是數個不同的部件和機器的組件，因此有點龐 大。此外，這些分開式布局需要用於系統的工作的命令和控制的許多輔助裝置。美國專利1929350公開了一種用來壓縮氣體的設備，該設備具有外部熱交換器， 該外部熱交換器通過穿過膨脹/壓縮室的管循環外部冷卻液體。所希望的是，提供一種具有簡單且高效率的集成熱交換器的液壓-氣動轉換系 統，該熱交換器在壓縮和膨脹期間都可以高效率地工作。也希望的是，具有一種可容易地適 應靜止的以及移動的應用的更緊湊、靈活且可升級的方案。本發明提出原創的方案來實現 這些目的。

發明內容
本發明提供一種多級液壓系統，該多級液壓系統通過執行氣體的連續的準等溫膨 脹/壓縮，當沿一個方向旋轉軸時，用來將加壓氣體(特別地是空氣)的勢能轉換為機械 功，並且當沿相反方向或沿相同方向旋轉該軸時，用來從旋轉軸的機械功產生壓縮氣體。該 創造性系統包括-由數個壓縮/膨脹模塊組成的多級液壓氣體壓縮/膨脹單元，每個壓縮/膨脹模 塊具有不同容積的壓縮/膨脹室。每個模塊集成內部氣體/液體分離熱交換器並且布置成 通過氣體的準等溫壓縮/膨脹將壓力動力轉換為活性液體的液壓動力，並且反之亦然。-位於壓縮/膨脹單元外部的外部熱交換器，用來使已經在壓縮/膨脹單元中通過 氣體壓縮/膨脹被加熱/冷卻的活性液體外部循環，並且布置成通過與周圍空氣的熱傳遞 將外部循環的活性液體保持在大體上恆定的溫度。-具有公共驅動/從動可旋轉軸的可逆多迴路多排量液壓馬達/泵。這個液壓馬 達/泵布置成將液壓動力轉換為可旋轉軸的機械動力以及反過來。該液壓馬達/泵具有與 壓縮/膨脹單元的壓縮/膨脹模塊對應的數個迴路，每個迴路具有不同的排量並且連接到 對應排量或容積的壓縮/膨脹模塊。 在一個實施例中，根據本發明的發動機由數個液壓_氣動級組成，該數個液壓_氣 動級在底側安裝在公共曲軸上並且在頂側串聯連接在空氣迴路中以執行高效率的多級壓 縮或膨脹過程。每個級由三個主要部分組成-專用的液體-活塞單元，該專用的液體_活塞單元藉助集成的「管狀熱交換器」 通過執行等溫壓縮_膨脹過程將壓力能轉換為液壓動力，該管狀熱交換器允許流入和流出 的活性液體吸收/提供壓縮/膨脹熱。因此，活性液體起到動力傳輸和熱傳遞的角色。-強制通風外部熱交換器，該強制通風外部熱交換器通過與周圍環境交換熱將活性液體維持在周圍溫度。這個熱交換器的風扇由曲軸通過帶或鏈直接驅動。
-單汽缸無閥液壓馬達-泵(SCMP)，將液壓動力轉換為機械功以及反過來。由公共凸輪軸操作的數個空氣和液體閥用於控制壓縮/膨脹和兩種流體從一個外殼到另一個外殼的傳遞。數個壓力控制的空氣閥也用於以可變級構造操作該系統。不同 的部分布置成形成單個緊湊實施例並且使閥的自動控制和外部熱交換器的風扇的驅動容
易ο在權利要求中闡述創造性系統的另外實施例。本發明的其它方面是一種通過執行一連串的變換用來將加壓氣體(特別地是空 氣)的勢能轉換成旋轉軸的機械功的方法，和一種通過執行一連串的變換用來由旋轉軸的 機械功來壓縮氣體(特別地是空氣)的補充方法，如在權利要求中更詳細地闡述的。在這些方法中，有利的是，涉及多級液壓氣體膨脹/壓縮單元的兩個級、多迴路多 排量液壓馬達/泵的兩個迴路和外部熱交換器的一連串變換被重複數次以便在級之間以 相等的膨脹/壓縮比執行多級膨脹/壓縮過程。根據以下具體描述，本發明的這些和另外特徵將是顯然的。


將參考附圖以例子的方式描述本發明，其中圖Ia和Ib是創造性多級液壓氣體壓縮/膨脹系統(系統1)的並排圖，該系統使 用用於每一個壓縮/膨脹級的多級徑向活塞馬達/泵的一個「活塞-杆-曲軸」系統以及 安裝在多級馬達/泵和壓縮/膨脹單元之間的多級多迴路熱交換器。圖2詳細示出具有直接「周圍空氣/活性液體」多級外部熱交換器的創造性多級 液壓氣體壓縮/膨脹系統的一個變型的兩個級。圖3詳細示出具有間接「周圍空氣/活性液體」多級外部熱交換器的創造性多級 液壓氣體壓縮/膨脹系統的另一個變型的兩個級。圖4示出具有集成的內部熱交換器的創造性系統的液壓氣體壓縮/膨脹模塊的可 言旨布局。圖5是集成在液壓氣體壓縮/膨脹模塊中的管狀熱交換器的布局的剖開透視圖； 為了清楚起見，僅僅示出總數量的一部分的管，一個管被分離地示出。圖6a是用於管狀熱交換器的管的保持板的剖開透視圖並且圖6b是剖開頂視圖。圖7是用於管狀熱交換器的可移動流體分離板的剖開透視圖並且圖7b是剖開頂 視圖。圖8示出集成在液壓氣體壓縮/膨脹模塊中的內部熱交換器的其它可能布局。圖9a以透視圖示出根據本發明的液壓氣體壓縮/膨脹發動機的「單列」豎直布局。圖9b勾畫根據本發明的液壓氣體壓縮/膨脹發動機的「V」布局。圖10是另一創造性多級液壓氣體壓縮/膨脹系統(系統2)的簡圖，該系統使用 不同類型的多級多排量馬達/泵和為所有的級使用公共低壓熱交換器和液體儲存器。圖11詳細示出第二創造性多級液壓氣體壓縮/膨脹系統(系統2)的變型。圖12示出僅用於壓縮工作模式的創造性系統2的多級氣體方向控制單元的變型。圖13示出僅允許所有液壓氣體壓縮/膨脹模塊串聯連接在氣體迴路上的創造性 系統2的多級氣體方向控制單元的變型。
圖14示出創造性系統2的多級液體方向控制單元的變型。圖15示出使用2端部軸發電機的創造性系統2的多級多排量液壓馬達/泵的分開式構造。
具體實施例方式第一創造性系統(系統1)的構造如圖1中示出的，根據本發明的機器由6個主要部分組成_專用的多迴路多排量液壓活塞馬達/泵A. 1。-由數個2-迴路熱交換級A.2a到A. 2d組成的多級多迴路熱交換器A. 2。-具有集成的熱交換器的多級多容量液壓氣體壓縮/膨脹單元A.3。-由數個方向閥組成的多級氣體方向控制單元A.4，用來控制壓縮/膨脹模塊和主 系統的氣體吸入/排出埠 Ea和Sa之間的氣體流動方向。-公共凸輪軸A.5，用來控制所有壓縮/膨脹模塊的氣體和液壓閥。-機械傳輸線A.6，在必要的情況下用來在單元之間傳輸機械動力。多級液壓氣體壓縮/膨脹單元示出的壓縮-膨脹單元設計成執行快速且幾乎等溫的過程。它由偶數個(至少兩 個)不同容積的液壓氣體壓縮/膨脹模塊A. 3a到A. 3d組成，並且這些液壓氣體壓縮/膨 脹模塊包含專用的氣體/液體熱交換器A. 3. 1. 3。在圖4中給出液壓氣體壓縮/膨脹模塊 的簡化圖。它主要由集成專用熱交換器A. 3. 1.3的豎直壓縮/膨脹外殼A. 3.1組成。通過 四個閥控制的埠可進入其內腔兩個空氣埠 A. 3. 1. 4. 1和A. 3. 1. 4. 2，以及兩個液體端 口 A. 3.1. 5.1和A. 3. 1.5.2。每個閥根據工作模式(即壓縮或膨脹)起到吸入閥或排出閥 的作用。這些閥的命令由公共凸輪軸A. 5執行，該公共凸輪軸由曲軸A. 1. 1通過由帶或鏈 A. 6. 2以及輪A. 6. 1和A. 6. 3組成的機械傳輸線A. 6驅動。專用的氣體/液體熱交換器A. 3. 1. 3是實現準等溫過程的關鍵元件。圖5的透視 圖中示出該熱交換器的可能布局。它由頭分配板A. 3. 1.3. 1組成，許多熱交換管狀中空通 道A. 3. 1. 3. 2在它們的頂端被固定在那裡。這些很薄的管在整個板表面上均勻分布並且在 它們的底端由允許流體在管之間流動的薄的多孔保持板A. 3. 1. 3. 3保持在一起。在圖6a 的透視圖和圖6b的頂視圖中示出這種保持板。熱交換器安裝成在外殼的頂蓋下提供液體分配室A. 3. 1. 1。液體埠被布置且構 造成使得液體容易在該室內均勻分布。頭分配板A. 3. 1. 3. 1提供隔離中心通道，氣體歧管 通過該隔離中心通道延伸到壓縮-膨脹室中。在理想情況下，如圖4a中示出的，在壓縮-膨脹室中的空氣和液體之間存在直接 接觸。在那種情況下，在吸入行程期間可以使用包括管的內容積的壓縮-膨脹室的幾乎整 個容積。這可以實現，例如，通過使中心管儘可能長以吸收在室的底部的所有液體因此允許 空氣流入管內。取決於液體(它優選地為水或水乳化液)的性質和壓力水平，可能發生氣體或多 或少擴散到液體中，這可引起該系統的所有或部分的不正確工作或過早故障。為了避免這 種情況，可以用可移動的分離薄板A. 3. 1. 3. 4分離兩種流體，如圖5中所示。在圖9的透視 圖中更詳細地示出這種板。它必須被精密地製造並且被良好地引導以減小與管和壓縮-膨脹室的內表面的摩擦。藉助液體分離板，有用容積被限制到管之間的空間；但在那種情況 下，壓縮/膨脹單元可以上下顛倒以便使閥位於底側上，這將縮短與外部熱交換器的液壓 連接。圖8中示出熱交換器A. 3. 1.3的其它可能布局，主要不同之處在於中空通道的形 式和它們在頭分配板A. 3. 1. 3. 1上的分布。在圖8a中，中空通道具有「長圓形」形狀並且 圍繞板軸線「徑向」布置。在圖8b中，中空通道具有「圓形」形狀並且圍繞板軸線「同心」布 置。在每一種情況下，相應地設計保持板A. 3. 1. 3. 3和可移動流體分離板A. 3. 1. 3. 4。多迴路多排量液壓馬達/泵這個裝置是由不同排量的數個單汽缸無閥活塞馬達/泵A. Ia到A. Id組成的且安 裝在公共曲軸A. 1. 1上的專用液壓機器。每個級將活性液體的交替的流入/流出轉變為曲 軸的旋轉運動並且反之亦然。它包括液體汽缸A. 1. 4a-A. 1. 4d，活塞Α. 1. 3a-A. 1. 3d在該液 體汽缸內平移。由於經典的杆A. 1. 3a-A. 1. 3d/曲軸Α. 1. 1聯合體，該活塞的平移運動轉變 為旋轉運動。通過兩個未受控制的埠 A. 1. 5a-A. 1. 5d進入液體汽缸，該兩個未受控制的 埠的每一個連接到對應熱交換器的級的迴路。當液體通過一個埠流入汽缸時，由於液 體閥A.3. 1.6. 1和A.3. 1.6.2(圖4)的控制，它通過另一埠流出汽缸。因此，液體總是在 封閉迴路中流動。外部多級多迴路熱交換器外部熱交換器A. 2是保證活性液體和周圍空氣之間的快速熱交換的強制通風散 熱器。可以如圖2中所示直接地或如圖3中所示間接地執行這個熱交換。在直接情況下， 熱交換器由數個高壓液壓迴路(每級2迴路:A. 2. 1和A. 2. 2)組成，該數個高壓液壓迴路 被實現在一種「蜂窩」通道內，在該「蜂窩」通道處安裝在一個末端的風扇A. 2. 3吹動周圍 空氣。風扇A. 2. 3由曲軸A. 1. 1通過由帶或鏈A. 6. 2以及輪A. 6. 1和A. 6. 6組成的機械 傳輸線驅動。迴路的每一對在其底側上連接到液壓馬達/泵的對應級的未受控制的埠 A. 1. 5a-A. 1. 5d，並且在其頂側上連接到液壓氣體壓縮/膨脹單元A. 3a、A. 3d的對應級的液 體埠。在圖3中提出熱交換器A. 2的一種替代構造，這種構造減小了實現高壓緊湊空氣 熱交換器的困難。在這種構造中，由於嵌入的液體/液體熱交換器A. 2. 5-A. 2. 6，熱首先從 活性液體傳遞到低壓水。此後，低壓水被小泵A. 2. 9驅動到與周圍空氣發生熱交換的分離 的經典散熱器A. 2. 8中。泵A. 2. 9和散熱器的風扇如前述情況中那樣被曲軸A. 1. 1驅動。 類似於小汽車的發動機的分開式構造的外部熱交換器的這種分開式構造使得系統的整體 汽缸座設計和構造容易，同時允許增加分離的強制通風散熱器的表面此提高熱交換效率。設計標準容積比對於每個級，由於壓縮/膨脹過程僅持續曲軸的半圈，因此液壓氣體壓縮/膨脹模 塊A. 3a到A. 3d的有用容積等於對應級的單汽缸無閥徑向活塞馬達/泵的汽缸A. 1. 4a到 A. 1. 4d的容積(對於級A為V0)。外部熱交換器的每個高壓迴路A. 2. Ia到A. 2. Id和A. 2. 2a到A. 2. 2d的容積至少 等於對應的單汽缸無閥徑向活塞馬達/泵的汽缸A. 1. 4a到A. 1. 4d的容積(對於級A為 V0)。上述元素中的一個和下一個連續級中的類似的一個之間的容積比等於壓縮比Cr，以便使級的工作同步。工作原理-通用原理給出的系統的每個級如2行程發動機那樣工作-氣體進入壓縮/膨脹模塊的壓縮/膨脹室A.3. 2a到A. 3. 2d的吸入行程。這個 行程在壓縮機工作模式期間是被動的並且在馬達工作模式期間是主動的。-氣體排出壓縮/膨脹模塊的壓縮/膨脹室A.3. 2a到A. 3. 2d的排出(或傳遞) 行程。這個行程在壓縮機工作模式期間是主動的並且在馬達工作模式期間是被動的。因此，壓縮/膨脹過程總是與氣體傳遞同時進行，除了當藉助高壓空氣箱通過高 壓埠 Sa執行傳遞時。在那種情況下，來自該模塊或進入該模塊的氣體傳遞將僅僅持續行 程時間的一部分，其持續時間取決於箱中的壓力水平。由於壓縮和傳遞工作的這種同時性， 這些過程將總是涉及不同容積的兩個連續的級(除了當它們通過埠 Sa和Ea相對於外界 執行時)，一個執行吸入行程並且從執行排出行程的另一個接收氣體。因此，在多級工作中， 兩個連續的級總是以相反的行程工作。例如，在如圖1中示出的4級系統的情況下，取決於 旋轉方向，當級B和D執行排出行程時級A和C執行吸入行程，並且反之亦然。級的數量取決於希望壓力水平。對於給定的希望壓力，這個數量越大，級的壓縮比 將越小並且熱力學效率也將越高。由於在兩個行程期間主動級的數量將相等，因此偶數的 級將在曲軸的一個整圈上保證更加恆定的機械扭矩。每個級中的液體具有兩個重要的作用-它是液壓機器的每個壓縮_膨脹模塊和對應級之間的動力傳輸鏈。_它也是同一壓縮-膨脹室和周圍空氣之間通過外部熱交換器的熱載體介質。因為級之間的容量差異，因此活性液體的所需容積不是對所有的級都相同。為避 免對曲軸的不平衡的機械約束，施加在所有活塞上的力(該力是每個室的壓力和對應活塞 的表面積的積)必須對於所有的級都相同。在所有的級具有相同壓縮比Cr的情況下，可以 寫出以下關係
formula see original document page 10其中(pQ)是埠 Ea處的壓力並且(Pa到Pd)是每個級的出口處的壓力，如圖1中 所示。如果等溫壓縮過程被假定為目標，則關係(I)可寫成formula see original document page 10(II)其中Vx是液壓機器8A. 1的液體汽缸A. 1. 4a_A. 1. 4d的容積。由於活塞將具有相 同的排量，因此(II)中的容積比可以被以下半徑比代替formula see original document page 10(III)因此，液壓機器的給定級(χ)的汽缸直徑與連續的低壓汽缸(x-1)的汽缸直徑具 有如下關係formula see original document page 10(IV)
應當注意，這種關係對於壓縮-膨脹模塊來說不是強制的，由於它們可以製成不 同長度並且甚至不同形狀。然而，它們的壓縮-膨脹室的有用容積應當滿足關係(II)。施加到活塞A. 1. 3b的機械力Fb由以下公式給出Fb = pbSb(V)其中Sb表示活塞A. 1. 3b的表面積。類似地，施加到與活塞A. 1. 3b同步地工作的 活塞Α. 1. 3d的機械力Fd為
Fd = Pd-Sd=CR2Ph·Sb/CR2 = Pb-Sh = Fh(VI)其中Sd表示活塞Α. 1. 3d的表面積。這個關係顯示，在所有的級具有相等壓縮比 的情況下，曲軸A. 1. 1受到平衡的機械作用力，即使活塞的直徑不同。壓縮機工作模式基於圖1、2和4的示意圖描述壓縮機工作。3-通路2-位置分配閥A. 4. Ib到 A.4. Id和A.4. 2a到A. 2. 2c保持在這些圖上示出的位置。壓縮過程存在於從大氣壓力(pQ) 到存儲箱中允許的最大容許壓力(Pd)的順序的級上的一系列吸入-排出/壓縮循環。每個循環持續曲軸A. 1. 1的一圈。如上所述，兩個連續的級總是以相反的相位工 作並且同時進行壓縮和傳遞過程；實際上，壓縮過程僅僅存在於氣體從一個模塊到較小容 積的下一個模塊的傳遞。因此，給定級的氣體排出和液體吸入閥與較小容積的下一級的氣 體吸入和液體排出閥同相地工作。起始點被定義為級A的活塞A.1.3a處於頂死點(TDC)並且通過向下移動而 開始吸入行程的點。壓縮/膨脹模塊的A. 3a的氣體吸入閥A. 3. 1. 7. Ia和液體排出閥 A. 3. 1. 6. Ia由凸輪軸A. 5的凸輪同時打開。同時，級B和D的活塞A. 1. 3b和Α. 1. 3d處於 底死點，準備開始壓縮行程。因此打開氣體排出閥A. 3. 1. 7. 2b和A. 3. 1. 7. 2d以及液體吸 入閥A. 3. 1.6. 2b和A. 3. 1.6. 2d。級C與級A處於相同狀態；氣體吸入閥A. 3. 1.7. Ic和液 體排出閥A. 3. 1. 6. Ic打開並且模塊A. 3c的室A. 3. 1. 2c與模塊A. 3b的室A. 3. 1. 2b連接。在活塞A. 1. 3a向下運動時，允許新鮮氣體通過消音器A. 9和過濾器A. 7進入壓 縮-膨脹室A. 3. 1.2a。同時，在前面的壓縮循環期間被加熱的液體被從外殼取出並且傳遞 到外部熱交換器的迴路A. 2. Ia中，替代那裡的在前面的循環期間已經被冷卻的液體，並且 該已經被冷卻的液體現在被傳遞到液體汽缸A. 1. 4a中。與活塞A. 1. 3a的下降同時，活塞 A. 1. 3b上升並且將其液體含有物排入熱交換器的迴路Α. 2. 2b，在該迴路Α. 2. 2b中它替換 等量的已冷卻的液體，而該已冷卻的液體被噴射到室A. 3. 1. 2b中，從而通過將封閉的氣體 傳遞到級C的較小的室A. 3. 1. 2c中而壓縮封閉的氣體。該氣體被傳遞到室A. 3. 1. 2c中 引起該室的液體含有物通過液體排出閥A. 3. 1.6. 2c流出。該流出液體進入熱交換器的回 路A. 2. Ic並且將迴路A. 2. Ic的含有物傳遞到汽缸A. 1.4c中，在該汽缸A. 1.4c中，活塞 A. 1. 3c被向下驅動。在級D與級B同相工作時，活塞Α. 1. 3d向上運動並且將熱交換器的回 路A. 2. 2d的液體含有物噴射到模塊A. 3d的壓縮室中，以壓縮其氣體含有物。在氣體排出 閥A. 3. 1.7. 2d打開時，當室A. 3. 1. 2d內的壓力略微高於高壓氣體箱(未示出，連接到埠 Sa)內的壓力時，止回閥A. 4. 3打開並且已壓縮的空氣被傳遞到該箱中。在傳遞行程期間，沿集成的熱交換器A. 3. 1.3的中空管(或通道)向下流入壓縮/膨脹室的冷的壓縮液體首先與通過壓縮被加熱且被向上推動的氣體接觸(通過這些管或 通道的很薄的壁)。兩種流體的這種逆流允許液體快速吸收壓縮熱並且因此將氣體維持在 幾乎恆定的溫度。該液體在外部熱交換器中被進一步冷卻下來。對於高效率來說，這是關 鍵。級A和C的吸入行程當它們各自的活塞達到底死點時結束，如圖1中所示。同時， 級B和D的活塞達到頂死點以結束它們的壓縮/傳遞。相位現在被顛倒，即級A和C開始 壓縮/傳遞行程而級B和D將開始吸入行程。先前打開的所有閥被關閉並且先前關閉的那 些閥被打開。在活塞A. 1. 3a和A. 1. 3c向上平移時，模塊A. 3a和A. 3c的氣體含有物被壓 縮並且被分別傳遞到模塊A. 3b和A. 3d中，而活塞A. 1. 3b和Α. 1. 3d下降。當活塞A. 1. 3a 和A. 1. 3c達到它們的頂死點時，行程結束，系統回到初始位置並且新循環可開始。
馬達工作模式系統以類似於壓縮模式的方式以馬達模式工作，但具有相反的空氣流和旋轉方 向。馬達工作過程存在於從箱壓力(Pd)到大氣(SKAEa)壓力(P。)的順序的級上的一 系列吸入/膨脹-排出循環。在這個模式中，閥A. 4. 3通過其命令(未示出)被迫進入「打 開」位置一段時間以允許氣體流出箱。每個循環持續曲軸A. 1. 1的一圈並且兩個連續的級也以相反的相位工作。膨脹過 程存在於將氣體從一個級的室傳遞到較大容積的下一個級；因此，給定的壓縮/膨脹模塊 的氣體排出和液體吸入閥與較大容量的後續模塊的氣體吸入和液體排出閥同相地工作。在吸入/膨脹行程期間，以與壓縮類似的方式執行熱交換過程；熱的流出液體通 過熱交換器的管的薄壁再次加熱流入且膨脹的氣體，以便將其維持在幾乎恆定的溫度。該 液體將在外部熱交換器中被進一步再次加熱。對於高的膨脹效率來說，這是關鍵。級的可變構造多級體系允許以高的效率達到高的壓力水平；然而，只有當所有級以它們的最佳 壓縮比被使用時，工作是最佳的；然而，情況經常不是這樣，因為在壓縮機和馬達工作期間 箱壓力將變化。在所有的級具有相等壓縮比Cr的情況下，只有當箱壓力「pd」大於"CrfcW Po"時，在壓縮以及膨脹期間「η」級的順序使用將是高效率的。否則，第「η」級將僅僅用作 傳遞級並且氣體當進入箱時將膨脹。因此，有意義的是，使串聯的級的數量適應箱壓力。這是主要由數個3通路2位置 分配閥Α. 4. Ib到Α. 4. Id和Α. 4. 2a到A. 4. 2d組成的多級氣體方向控制單元A. 4的作用。 通過根據箱中的壓力水平適當控制這些閥，可以將系統構造成「級的可變構造」，即，使在主 埠 Ea和Sa之間串聯工作的壓縮/膨脹模塊的數量適應箱中的壓力水平，並且因此優化 系統的工作。對於如圖1中示出的4級系統，以下構造是可能的4通道1級，這時箱壓力低於水平「Cr. P0，，所有的閥A. 4. Ib到A. 4. Id和A. 4. 2a 到Α. 4. 2c放置在「位置2」並且如圖1中所示保留閥A. 4. 2d ；因此，所有模塊並聯在空氣回 路上，這導致較高的空氣流率。2通道2級，這時箱壓力在水平「Cr. pQ」和水平「Cr2. p0」之間閥A. 4. Ic和A. 4. 2b 放置在「位置2」並且如圖1中所示保留其它閥。模塊A. 3a和A. 3b與模塊A. 3c和A. 3d — 樣串聯連接，並且兩對模塊並聯在空氣迴路上以形成「2通道2級」構造。1通道3級，這時箱壓力在水平「Cr. Ptl」和水平「Cr3. P(1」之間在這種情況下，通過將閥Α. 4. Id和Α. 4. 2b放置在「位置2」而停用模塊Α. 3d，這將把兩個氣體埠連接到吸入線路。閥(A.4.2C)也切換到「位置2」並且如圖1中所示保留其它閥。如前所述，由於在半 圈期間將存在兩個主動級A和C並且在另一半圈期間僅存在一個級B，這種奇數級可能在曲 軸上產生無規律扭矩。在這個壓力範圍內使用4級構造將不能解決問題，因為如前所述模 塊Α. 3d將僅僅用作傳遞級。直到壓力水平「Cr3. P0", 2級構造可能是優選的。1通道4級，這時箱壓力大於「Cr3. ΡΛ如圖1中所示保留所有閥，因此所有模塊 串聯連接在氣體迴路上以形成1通道4級構造。這是適於高壓工作的該機器的標準構造。可變構造允許壓縮空氣箱的全部含有物的優化利用或空箱的優化填充。但實際 上，對於給定應用，存在最小壓力，在該最小壓力下，產生的動力變得無用。空閒(空程)狀態多級氣體方向控制單元Α. 4也允許在不執行氣體壓縮/膨脹 的空閒或備用的狀態下運行系統。這通過將所有閥Α. 4. Ib到Α. 4. Id和Α. 4. 2a到A. 4. 2d 放置在「位置2」並且通過將閥A. 4. 4放置在「打開位置」而實現。因此，壓縮膨脹模塊的所 有氣體吸入/排出閥連接到低壓吸入/排出埠 Ea並且不能實現壓縮/膨脹。主要優點與現有技術氣動到機械能轉換系統相比，所提出的機器提供許多技術改進；下面 列出幾個技術改進 集成在壓縮/膨脹室中的簡單且高效率的熱交換器。這由於其使用很薄中空通 道的特殊設計而實現，該很薄中空通道允許>空氣和活性液體的較好隔離，這在非隔離界面的情況下限制僅在水平分離表面 上擴散的風險。>用於壓縮/膨脹室內的液體的流入和流出的單個通路，這避免在膨脹期間使用 外部再循環泵(如Rufer & al.在PCT/IB2007/051736中提出的)，並且在兩種流體之間提 供永久的熱交換。> 與這些金屬中空通道相關的較高熱容量，這改善熱交換的質量。·實施在單個實施例中的簡單且緊湊的動力轉換布局。用於多級發動機的最簡單 的布局是如圖9a中的透視圖中示出的豎直直列式構造。這種布局是簡單可升級的並且發 動機的總尺寸將取決於其功率範圍。也可以預想如一些內燃機(ICE)中的「V」構造，如圖 9b所示。這種構造將改善系統功率密度並且使它適合可移動應用。 閥的簡單且自動的控制。如在ICE中那樣，向曲軸提供的或曲軸產生的機械能的 一部分用於同步操作空氣和液體閥。這個可能性大大減小諸如電子閥的所需輔助裝置的數 量，並且為系統提供更多自主性。主要限制根據本發明的機器的效率很大程度上取決於在壓縮/膨脹室內的壓縮/膨脹過程 期間空氣和液體之間的熱傳遞的質量。給定涉及的各種元件的熱時間常數，高質量的熱傳 遞將需要至少一定最小量的時間。在給出的構造中，壓縮/膨脹過程將僅持續曲軸的半圈。例如，對於3000rpm的旋 轉速度，這個過程將僅持續10ms，根據管狀熱交換器的設計，這可能是相當短的。因此，給出 的機器的最佳速度位於較低的速度範圍，該速度範圍可能不符合一些電機器或應用的最佳 速度範圍。
通過使用諸如具有高速度比的機械齒輪箱的速度適配器可以規避這個限制，但齒 輪箱將增加系統的質量和體積。以下段落中給出的第二創造性系統(系統2)提供解決這 個問題的更好的解決方案。第二創造性系統(系統2)的構造如圖10中示出的，根據本發明的第二系統由6個主要部分組成。在圖中，「P」代表 壓力；「d」代表排量；「V」代表有用容積並且「Cr」代表壓縮比。如示出的，第二系統包括
-具有集成的熱交換器的多級液壓氣體壓縮/膨脹單元B.3，用來將氣動動力轉換 為液壓動力和反之亦然。-專用的多迴路多排量液壓馬達/泵B.1，用來將液壓動力轉換為旋轉軸的機械動 力和反之亦然。-多迴路液體方向控制單元B.2，用來控制活性液體的流動方向。-多級氣體方向控制單元B.4，用來控制氣體流動方向和壓縮/膨脹模塊的構造。_低壓強制通風外部熱交換器B. 5，用來將活性液體維持在周圍溫度。-液體儲存器B.6，用來存儲和供應優選地為水或水乳化液的活性液體。-液體過濾器B.7。在圖11中提供創造性系統2的詳細示意圖，它提供了前述主要部分的設計變型。多級液壓氣體壓縮/膨脹單元壓縮-膨脹單元幾乎相同於系統1的壓縮_膨脹單元，除了由於分別在外部方向 控制單元B. 2和B. 4中執行液體和氣體流動的控制因此壓縮/膨脹模塊B. 3. Ia到B. 3. Id 的液體和氣體埠不受控制。然而，閥控制的氣體埠可以集成在這些模塊中並且如系統1 中那樣機械地工作或電子機械地工作。可任選的液體埠設置在壓縮/膨脹模塊的底部， 由閥B. 3. 2a到B. 3. 2d控制並且將允許從底部更容易地清空壓縮/膨脹室。多迴路多排量液壓馬達/泵這個裝置是由安裝在公共軸上的具有不同排量但具有相同功率的數個馬達/泵 B. Ia到B. Id組成的專用液壓機器。每個級將活性液體的交替的流入/流出轉變為軸的旋 轉運動並且反之亦然。當沿相同方向旋轉時，這些級無差別地以馬達或以泵模式工作；因 此，它們應當能夠在吸入和排出埠上處理相同的壓力。此外，它們應當具有允許多迴路組 裝的「交叉」軸。如軸向活塞技術的液壓機器的一些技術允許這種設計。不同類型的聯合 也是可能的。圖15示出分開式構造，其中與具有2端部軸的發電機聯合地使用兩個2迴路 機器，該分開式構造提供許多優點2迴路機器應當比4迴路機器更容易建造。此外，這種 構造允許優化選擇適於用於低壓側B. 11的「低壓/高流率」的技術和適於用於高壓側B. 12 的「高壓/底流率」的技術。多迴路液體方向控制單元多迴路液體方向控制單元B. 2由用來控制液體流的方向的數個方向控制模塊組 成。每個模塊允許馬達/泵的每個埠連接到對應壓縮/膨脹模塊或連接到主液體吸入端 口 Ew或再連接到主液體排出埠 Sw。在圖11中提供液體方向控制單元的變型，其中每個模塊包括4通路3位置方向閥 和兩個止回閥。在圖14中給出液體方向控制模塊的另一變型，該另一變型主要使用數個液 控止回閥(Pilot operated checkvalve) 0允許實現相同功能的液體方向控制單元的其它更複雜或更簡單的設計是可能的。多級氣體方向控制單元多級氣體方向控制單元B. 4由用來控制氣體流動方向的數個方向閥組成。每個級允許對應壓縮/膨脹模塊的空氣埠連接到下一個模塊(在左邊或在右邊)或連接到主低 壓氣體埠 Ea或再連接到主排出埠 Sa。在圖11中提供氣體方向控制單元的變型，其中每個模塊包括三個3通路2位置方 向閥，這些方向閥允許壓縮/膨脹單元以類似於用於系統1的級的可變構造的方式工作。在 圖13中提供氣體方向控制單元的更簡單的變型，該變型允許壓縮/膨脹單元的所有模塊僅 僅串聯地工作。在圖12中給出氣體方向控制單元的另一簡單變型，由於止回閥將允許氣體 的僅僅1通路流動，因此該變型允許壓縮/膨脹單元的所有模塊僅僅串聯地且僅僅以壓縮 模式工作。兩種創造性系統的對比兩種系統之間的一個主要差異是系統2的液壓迴路是打開的且連接到供應活性 液體的公共低壓儲存器B. 6。在這個系統中，由於液壓馬達/泵直接連接到壓縮/膨脹單 元，因此液壓動力轉換緊接地在壓縮/膨脹過程之前或之後；因此，活性液體跨越馬達/泵 而處於低壓並且可以藉助經典低壓空氣液體散熱器來實現與周圍環境的熱交換。在系統1 中，與周圍環境的熱交換緊接地在壓縮/膨脹過程之前或之後；因此，用於活性液體的交換 器的路徑必須能夠應付高壓。另一重要差異是，在系統1中，壓縮/膨脹過程持續液壓馬達/泵的半圈，因此，液 壓馬達/泵的級的排量必須等於壓縮/膨脹模塊的有用容積，這導致重要的功能和構造限 制。然而，在系統2中，壓縮/膨脹模塊的有用容積是水力學的級的排量的時間積分，這在 設計該系統中提供了補充自由度並且允許以與其它系統的速度相容的高得多的速度運行 馬達/泵。工作原理第二創造性系統以類似於第一系統的方式工作，主要差異是活性液體的路徑。流 入壓縮/膨脹模塊的任何液體來自液體箱B. 6並且在馬達/泵的相應級中被泵送。流出壓 縮/膨脹模塊的任何液體通過對應的管道系統流向熱交換器B. 5並且被馬達/泵的對應級 和液體方向模塊泵送。以馬達模式以及以壓縮機模式的工作次序與用於系統1的工作次序相同。主要應用領域本發明主要意圖生產高壓氣體(特別地為空氣)並且使用其勢能，用於動力傳輸 和能量存儲的目的。本發明的一個潛在應用將是為工業應用或為如潛水和滅火的醫療和呼 吸目的生產壓縮空氣。另一潛在應用是氣動能量存儲(或無燃料壓縮空氣能量存儲)，用於 可再生能源支持。與發電機和電力電子轉換器聯合，它可用於規避諸如太陽能或風能的一 些可再生能源的間歇性。最後，所提出的發動機可以如任何經典壓縮機那樣將任何氣體調節到高壓但具有 高的效率。取決於應用，氣體處理(或淨化)裝置將是必要的。參考文獻[1] Sylvain Lemofouet ；Investigation and Optimisation ofHybridElectricity Storage Systems Based on Compressed Air andSupercapacitors ；PhD Thesis number 3628 available on :http://library. epfl. ch/theses/？ nr = 3628[2]I.Cyphelly, A，Rufer, P. Bruckmann, W. Menhardt，A. Reller ；Usage of Compressed Air Storage System 「 DIS project 240050， SwissFederal Office of Energy, May 2004 www. electricity-research, ch/[3]I. Cyphelly ；Pneumo-Hydraulic Converter for Energy Storage ；US Patent n° 6，145，311，Nov 2000.[4]Rufer and Al ；Hydro-Pneumatic Storage System ；PCT/IB2007/051736.
權利要求
一種多級液壓系統，該多級液壓系統通過執行氣體的連續的準等溫膨脹/壓縮，當沿一個方向旋轉軸時，用來將特別地是空氣的加壓氣體的勢能轉換為機械功，並且當沿相反方向或沿相同方向旋轉所述軸時，用來從旋轉軸的機械功產生壓縮氣體，其中所述系統包括由數個壓縮/膨脹模塊組成的多級液壓氣體壓縮/膨脹單元，該壓縮/膨脹模塊的每一個具有不同容積的壓縮/膨脹室，每個模塊集成內部氣體/液體分離熱交換器，並且布置成通過該氣體的準等溫壓縮/膨脹將壓力動力轉換為活性液體的液壓動力，並且反之亦然；位於該壓縮/膨脹單元外部的外部熱交換器，該外部熱交換器用來使已經在該壓縮/膨脹單元中通過氣體壓縮/膨脹被加熱/冷卻的活性液體進行外部循環，並且布置成通過與周圍空氣的熱傳遞使該外部循環的活性液體達到大體上恆定的溫度；和具有公共驅動/從動可旋轉軸的可逆多迴路多排量液壓馬達/泵，所述液壓馬達/泵布置成將液壓動力轉換為所述可旋轉軸的機械動力並且反之亦然，該液壓馬達/泵具有對應於該壓縮/膨脹單元的壓縮/膨脹模塊的數個迴路，每個所述迴路具有不同的排量並且連接到對應排量或容積的壓縮/膨脹模塊。
2.根據權利要求1的系統，其中每個壓縮/膨脹模塊是外殼，該外殼在頂部提供通過兩 個閥控制的液體埠可進入的液體分配室，並且在底部提供通過兩個閥控制的氣體埠可 進入的壓縮_膨脹室，取決於所述系統作為壓縮機或作為馬達的工作模式，所述埠的每 一個可以用作吸入埠或用作排出埠。
3.根據權利要求2的系統，其中所述多級壓縮/膨脹單元的所有模塊的所述氣體埠 和液體埠具有可由公共凸輪軸機械地操作的閥。
4.根據權利要求2或3的系統，其中每個所述壓縮_膨脹室集成內部熱交換器，該內 部熱交換器設計成在所述壓縮/膨脹過程期間在所述氣體和所述活性液體之間實現快速 且高效率的熱傳遞；每個內部熱交換器包括頭液體分配板，大量均勻分布的薄管或中空通 道在它們的頂端固定在該頭液體分配板中，並且在它們的底端由薄的多孔保持板保持在一 起，該多孔保持板允許流體在所述管或中空通道之間流動。
5.根據權利要求4的系統，其中所述內部熱交換器的所述液體分配板將所述壓縮-膨 脹室與液體分配室分離，並且提供容納氣體歧管的中心隔離通道，該氣體歧管使氣體埠 通過所述液體分配室延伸進入所述壓縮_膨脹室。
6.根據權利要求4或5的系統，其中所述內部熱交換器配備有薄的可移動板，該薄的可 移動板分離所述活性流體、氣體和液體，以避免氣體擴散到液體中，同時允許所述壓縮/膨 脹和熱交換過程發生，所述可移動板以可移動的方式安裝在所述熱交換管或通道上並且能 夠由流體沿所述熱交換管或通道向上和向下驅動。
7.根據任何一項前述權利要求的系統，包括外部多級多迴路熱交換器，該外部多級多 迴路熱交換器是能夠由高壓液體/強制周圍空氣操作的直接散熱器或能夠由高壓液體/低 壓液體和低壓液體/強制周圍空氣操作的間接散熱器，該外部多級多迴路熱交換器與用來 產生強制周圍空氣的由所述液壓馬達/泵的公共軸驅動的風扇聯合。
8.根據任何一項前述權利要求的系統，其中所述外部多級多迴路熱交換器的每一級包 括兩個液體路徑，該兩個液體路徑在它們的頂端連接到所述壓縮-膨脹單元的液體埠並且在它們的底端連接到所述液壓馬達-泵的兩個無閥埠，該兩個液體路徑布置有液體閥 以允許所述活性液體在封閉的迴路中流動。
9.根據任何一項前述權利要求的系統，其中所述液壓馬達/泵的每一級具有在汽缸中 以給定位移可移動的活塞，並且所述系統的連續級之間的級間容積比和排量比是相同的並 且等於級間壓縮比，以便使模塊的工作同步，並且在所述液壓馬達-泵的所有活塞上產生 平衡的力。
10.根據權利要求1到8的任何一項權利要求的系統，其中所述多級液壓馬達/泵的每 一級具有不同的排量，並且連續級之間的所述級間排量比等於所述多級壓縮/膨脹單元的 對應的級間容積比，以便使所述模塊的工作同步。
11.根據任何一項前述權利要求的系統，包括配備有由數個氣體方向控制閥組成的多 級氣體方向控制單元的氣體迴路，該多級氣體方向控制單元布置成在所述壓縮/膨脹模塊 全部串聯、全部並聯或一些並聯且一些串聯地在所述氣體迴路上的情況下操作所述多級壓 縮/膨脹單元。
12.根據權利要求1的系統，其中所述壓縮/膨脹單元的壓縮-膨脹模塊通過多級氣體 方向控制單元連接；所述液壓馬達/泵的每個迴路通過多迴路液體方向控制單元連接到對 應排量或容積的壓縮/膨脹模塊；並且包括與液體存儲器聯合的單個外部低壓強制通風熱 交換器。
13.根據任何一項前述權利要求的系統，包括配備有由數個液壓方向控制模塊組成的 多迴路液體方向控制單元的液壓迴路，每一個模塊布置成通過將所述迴路的吸入埠和排 出埠連接到對應的壓縮/膨脹模塊或連接到所述熱交換器或連接到液體存儲器，而以馬 達的模式或以泵的模式操作所述多迴路液壓馬達/泵的迴路。
14.一種特別地在根據任何一項前述權利要求的系統中，通過執行一連串變換用來將 特別地是空氣的加壓氣體的勢能轉換為旋轉軸的機械功的方法，包括以下步驟在專用的多級液壓氣體膨脹單元中，通過從該單元的一個級的室將所述氣體傳遞到最 初充滿液體的下一個級的較大的室中以便逐出所述液體，從而膨脹加壓氣體，同時被逐出 較大的室的液體和被泵送到較小的室中的液體通過集成在每個室中的內部流體分離氣體/ 液體熱交換器加熱膨脹的氣體，以便執行基本上等溫的膨脹；通過外部熱交換器加熱流出和流入所述室的並且已經被所述膨脹的氣體冷卻的液體， 以便將所述液體維持在周圍溫度；和通過多迴路多排量液壓馬達/泵的迴路，將流出膨脹單元的所述較大的室的加壓液體 產生的液壓動力進一步轉換為機械動力，同時所述馬達/泵的較小排量的另一迴路使用產 生的動力的一部分將液體泵送到所述較小的室中。
15.一種特別地在根據任何一項前述權利要求的系統中，通過執行一連串變換用來由 旋轉軸的機械功壓縮特別地是空氣的氣體的方法，包括以下步驟藉助多迴路多排量液壓馬達/泵的迴路，通過驅動液體將所述旋轉軸的機械動力轉換 為液壓動力；通過迫使包含在多級液壓氣體壓縮單元的一個級的室中的低壓氣體進入最初充滿液 體的下一個級的較小的室，壓縮所述氣體，通過噴射由多迴路多排量液壓馬達/泵的迴路 的一個級驅動的液體，同時通過所述馬達/泵的較小排量的另一級清空所述較小的室，使得被逐出較小的室的液體和被泵送到較大的室中的液體通過集成在每個室中的內部流體 分離氣體/液體熱交換器冷卻壓縮氣體，從而執行基本上等溫的壓縮；和通過外部熱交換器進一步冷卻流出和流入所述室的並且已經被壓縮氣體加熱的液體， 以便將所述液體維持在周圍溫度。
16.根據權利要求14或15的方法，其中涉及多級液壓氣體膨脹/壓縮單元的兩個級、 多迴路多排量液壓馬達/泵的兩個迴路和所述外部熱交換器的所述一連串變換被重複數 次，以便在級之間以相等的膨脹/壓縮比執行多級膨脹/壓縮過程。
全文摘要
通過執行氣體的連續的膨脹/壓縮，當以馬達的方式工作時用來將加壓氣體(特別地是空氣)的勢能轉換為機械功，並且當以壓縮機模式工作時當旋轉時用來從旋轉軸(A1.1)的機械功產生壓縮氣體的多級液壓系統和方法。所述系統的每一個包括由具有不同容量並且集成氣體/液體分離熱交換器(A.3.1.5)的數個液壓壓縮-膨脹模塊(A.3a到A.3d)組成的多級壓縮-膨脹單元(1.3)，設計成通過執行氣體的基本等溫的壓縮/膨脹而將壓動力轉換為液壓動力和反之亦然；單級或多級、直接或間接、外部強制通風熱交換器(A.2)，用來將活性氣體維持在周圍溫度；和多迴路、多排量液壓馬達/泵(A.1)，用來將液壓動力轉換為機械功和反之亦然。
文檔編號F04B39/00GK101828029SQ200880112123
公開日2010年9月8日 申請日期2008年9月12日 優先權日2007年9月13日
發明者A·魯費爾, S·勒穆富埃 申請人:洛桑聚合聯合學院