CN100590298C - 等离子体涡流发动机及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种等离子体-涡流发动机(20)，其包括含有流体加热器(26)、膨胀室(30)和冷凝器(42)的闭环(44)中循环的等离子流体(22)。膨胀室(30)由壳体(64)和两个端板(66，68)形成，并含有连接了多个叶片(74)的转子(72)。轴(36)通过端板(66，68)而与转子(72)连接。在操作过程中，流体加热器(26)加热等离子流体(22)，以产生等离子体(86)，然后，将等离子体(86)喷射入膨胀室(30)。等离子体(86)进行液压和绝热膨胀，并对叶片(74)中的一个施加膨胀力(94)。与膨胀室连接的涡流发生器(96)在等离子体(86)内产生涡流(100)，涡流(100)对一个叶片(74)施加旋涡力(102)。转子(72)和轴(36)响应于膨胀力和旋涡力(94，102)旋转。等离子体(86)从膨胀室(30)被排出并通过冷凝器(42)而被冷凝回成等离子流体(22)。

Description

等离子体涡流发动机及其操作方法
技术领域
本发明涉及旋转式发动机领域。更具体地说，本发明涉及外燃旋转式发动机领域。
背景技术
气体的受控膨胀构成现在使用的大部分非电动旋转式发动机的基础。这些发动机包括往复式、旋转式和涡轮发动机，且它们可由热(热力发动机)或其他形式的能量驱动。热力发动机可以使用燃烧能、太阳能、地热能、核能、或其他形式的热能。基于燃烧的热力发动机可以利用内部或者外部燃烧。
内燃机通过在内燃发动机本身内部的燃料的燃烧而获得动力。一般的内燃机包括往复式发动机、旋转式发动机和涡轮发动机。
内燃往复式发动机将燃烧气体(通常为空气-燃料混合物)的膨胀转化为活塞在气缸内的线性运动。然后，这种线性运动通过连杆和曲轴而被转化为旋转运动。内燃往复式发动机的示例为普通汽车的汽油机和柴油机。
内燃旋转式发动机使用转子和燃烧室来更直接地将燃烧气体的膨胀转化为旋转运动。内燃旋转式发动机的示例是汪克尔(wankel)发动机，其利用在燃烧室内旋转的三角形转子，而不是利用气缸内的活塞。汪克尔发动机具有更少的运动部件，因此对于给定的功率输出而言，它比相同的内燃往复式发动机在整体上更小且更轻。
内燃涡轮发动机将燃烧气体的膨胀导向涡轮，涡轮随后旋转。内燃涡轮发动机的示例为涡轮螺旋桨飞机发动机，其中涡轮与推进器相连接，从而为飞机提供动力。
内燃涡轮发动机通常用作推力发动机，其中燃烧气体的膨胀以受控的方式离开发动机，以产生推力。内燃涡轮/推力发动机的示例为涡轮风扇飞机发动机，其中涡轮的旋转通常被反馈至压缩机，使空气-燃料混合物中的空气压力增大并使产生的推力显著增大。
所有这种类型的内燃机都具有效率较低的缺点。在燃烧过程中，仅释放小百分比的势能，即，燃烧总是不完全。在燃烧过程中所释放的能量中，只有小百分比转换为旋转能量。其余部分必须作为热量消散。
如果使用的燃料是普通的烃或烃基化合物(例如，汽油，柴油或喷气燃料)，则内燃机的部分燃烧特性使得将过剩的燃烧副产品以废气的形式释放到大气中。为了减少污染物量，通常需要由催化转化器和其他设备构成的支持系统。即使在最小化的情况下，由于不完全燃烧，也会有大量的污染物被释放到大气中。
因为内燃机依赖于燃料在发动机自身内的迅速燃烧(即，爆燃)，因此发动机必须被设计成能够承受相当大的压力和热量。这些是缺陷，对同样功率输出的外燃发动机要求更坚固且更复杂的发动机。
外燃发动机通过在与发动机分离开的燃烧室内的燃料的燃烧获得动力。兰金循环发动机(Rankine-cycle engine)代表了当代的外燃式发动机。在兰金循环发动机中，燃料在燃烧室中燃烧并被用于在大致恒定的压力下加热液体。液体被汽化，变成所需气体。气体进入发动机，并在发动机内膨胀。通过这个膨胀获得所需的旋转动力。一般的外燃机也包括往复式发动机、旋转式发动机和涡轮发动机。
外燃往复式发动机将被加热气体的膨胀转换为活塞在气缸内的线性运动。然后，线性运动通过连杆机构而被转换为旋转运动。传统的蒸汽机车发动机是外燃开环兰金循环往复式发动机的一种示例。燃料(木材，煤或油)在燃烧室(锅炉)中燃烧并被用于在大致恒定的压力下加热水。水被汽化，变成所需的气体(蒸汽)。气体进入气缸，并在气缸内膨胀，从而驱动活塞。连杆机构(驱动杆)将活塞连接到车轮，以产生旋转动力。然后，膨胀后的气体以蒸汽的形式被释放到大气中。车轮的旋转沿着轨道推动发动机。
外燃旋转式发动机使用转子和燃烧室来代替活塞、气缸和连杆机构，以更直接地将加热后的气体的膨胀转化为旋转运动。
外燃涡轮发动机指引加热后的气体的膨胀到涡轮上，涡轮然后旋转。现代核电站是外燃闭环兰金循环涡轮发动机的一种示例。核燃料在燃烧室(反应器)内“燃烧”并被用于加热水。水被汽化，变成所需的气体(蒸汽)。气体被指引到涡轮上，涡轮然后旋转。然后，膨胀的蒸汽被冷凝变回水并可用于再加热。涡轮的旋转驱动发电机产生电。
外燃发动机可以被制造成比相应的内燃机更有效率。通过利用燃烧室，燃料可以被更彻底地消耗掉，释放出更高百分比的势能。更彻底意味着产生更少的燃烧副产品和污染物质的显著减少。
因为外燃发动机本身并不包含燃料的燃烧，所以它们可以被设计成：与可比较的内燃机相比，在更低的压力和温度下操作。这反过来允许使用不太复杂的支持系统(例如，冷却和排放系统)，形成用于给定功率输出的更简单且更轻的发动机。
通常，涡轮发动机以高的旋转速度操作。高旋转速度带来通常导致专门的设计和材料的若干设计挑战。这增加了系统复杂性和成本。同样，为了以低到中等的旋转速度操作，涡轮发动机通常利用某种逐步降低变速器。这也增加了系统复杂性和成本。
同样，往复式发动机需要连杆机构来将线性运动转化成旋转运动。这导致具有许多运动部件的复杂设计。另外，活塞的线性运动和连杆机构的运动产生显著振动。振动导致效率损失并降低发动机寿命。为了补偿这一点，通常对部件进行平衡来减少振动。这导致既增加了复杂性又增加了成本。
一般的热力发动机依赖于气体的非绝热膨胀。也就是说，随着气体膨胀，热量会损失。这种非绝热膨胀代表能量损失。
因此，需要一种外燃旋转式热力发动机，其能使气体的绝热膨胀能量最大化并对其进行利用。
发明内容
因此，本发明的优点在于提供了等离子体涡流发动机及其操作方法。
本发明的另一优点在于提供利用外部燃烧的外燃式等离子体涡流发动机。
本发明的另一优点在于提供旋转式等离子体涡流发动机。
本发明的另一优点在于提供利用蒸汽液压的等离子体涡流发动机。
本发明的另一优点在于提供利用非绝热气体膨胀的等离子体涡流发动机。
本发明的另一优点在于提供在中等温度和压力下操作的等离子体涡流发动机。
通过等离子体涡流发动机实现了本发明的上述和其他优点，等离子体涡流发动机包括：构造为在汽化时变成等离子体的等离子流体；用于加热等离子流体的流体加热器；由壳体、连接到该壳体上的第一端板、和相对于所述第一端板连接到壳体上的第二端板构成的膨胀室；非一致地连接到所述膨胀室的轴；在所述膨胀室内同轴地连接到所述轴上的转子；枢转连接到所述膨胀室或所述转子上的多个叶片，和连接到所述膨胀室并构造为在所述膨胀室内产生等离子体涡流的涡流发生器。
通过操作等离子体涡流发动机的方法实现了本发明的上述和其他优点，其中所述方法包括以下步骤：加热等离子流体；将通过所述等离子流体获得的等离子体引入膨胀室；使等离子体绝热膨胀；响应于膨胀行为，在所述膨胀室内对多个叶片中的一个施加膨胀力；响应于施加行为，使转子和壳体中的一个旋转；和从所述膨胀室排出所述等离子体。
附图说明
通过结合附图参照详细的说明书和权利要求书，可以更完全地理解本发明，其中所有附图中，相同的附图标记表示相同的部件，且：
图1表示根据本发明的优选实施方式的等离子体涡流发动机的示意图；
图2表示用于根据本发明的优选实施方式的图1的等离子体涡流发动机的等离子流体的成分的方框图；
图3表示用于根据本发明的优选实施方式的图1的等离子体涡流发动机的膨胀室的外部等距视图；
图4表示根据本发明的优选实施方式的图3的膨胀室的侧视图，膨胀室具有枢转叶片，并且拆除了一个端板；
图5表示根据本发明的优选实施方式的图3的膨胀室的侧视图，膨胀室具有滑动叶片，并且拆除了一个端板；
图6表示用于根据本发明的优选实施方式的图1的等离子体涡流发动机的操作过程的流程图；
图7表示根据本发明的优选实施方式的图1的膨胀室(拆除了一个端板)在操作过程中的侧视图，参考单元处于1点钟位置；
图8表示根据本发明的优选实施方式的图7的膨胀室(拆除了一个端板)在操作过程中的侧视图，参考单元处于3点钟位置；
图9表示根据本发明的优选实施方式的图7的膨胀室(拆除了一个端板)在操作过程中的侧视图，参考单元处于5点钟位置；
图10表示根据本发明的优选实施方式的图7的膨胀室(拆除了一个端板)在操作过程中的侧视图，参考单元处于7点钟位置；
图11表示根据本发明的优选实施方式的图7的膨胀室(拆除了一个端板)在操作过程中的侧视图，参考单元处于9点钟位置；
图12表示根据本发明的优选实施方式的图7的膨胀室(拆除了一个端板)在操作过程中的侧视图，参考单元处于11点钟位置；
图13表示根据本发明的优选实施方式的多室等离子体涡流发动机的示意图；
图14表示用于根据本发明的优选实施方式的图13的等离子体涡流发动机的膨胀室处于1点钟状态的内部侧视图；
图15表示用于根据本发明的优选实施方式的图13的等离子体涡流发动机的膨胀室处于12点钟状态的内部侧视图；
图16表示用于根据本发明的优选实施方式的图13的等离子体涡流发动机的膨胀室处于2点钟状态的内部侧视图；
图17表示根据本发明的优选实施方式的具有不同室直径的级联等离子体涡流发动机的示意图；和
图18表示根据本发明的优选实施方式的具有不同室深度的级联等离子体涡流发动机的示意图。
具体实施方式
图1表示根据本发明的优选实施方式的等离子体涡流发动机20的示意图。下面将参照图1进行说明。
等离子体涡流发动机20理想地构造成闭环外燃发动机，例如兰金循环发动机。也就是说，来自存储器24的等离子流体22被流体加热器26加热成等离子体(下面将进行说明)。喷射器28通过入口32，将等离子体引入膨胀室30。在膨胀室30内，蒸汽液压、绝热膨胀和旋涡力(下面将进行说明)使轴36绕着轴线38进行旋转34。然后，等离子体通过出口40而被排出膨胀室30。排出的等离子体通过冷凝器42而被冷凝回等离子流体22并返回存储器24。只要发动机20能够处于闭环44操作，就一直持续这个过程。
本领域技术人员将明白，在一些实施方式中，可能需要开环系统。在开环系统中，省略冷凝器42，并将排出的等离子体排出到系统外部(例如，排出到大气中)。使用开环实施方式并不背离本发明的精神。
图2表示用于根据本发明的优选实施方式的等离子体涡流发动机20的等离子流体的成分的方框图。下面将参照图1和图2进行说明。
等离子流体22由添加了固体成分48的不反应液体成分46构成。固体成分48为颗粒并被以悬浮形式有效地保持在液体成分46内。液体成分46和固体成分48理想地具有较低蒸发系数和较高的传热特性。这些性质使得等离子流体22适用于在中等操作温度(即，低于400℃(750°F))和中等压力下使用的闭环发动机。
液体成分46理想地为抗磁液体(例如，渗透能力低于在真空下的渗透能力的液体，并且当这种液体被放置于磁场中时，液体在与铁磁体的方向相反的方向上具有感应磁性)。一种可以的此类液体为无污染的碳氟化合物，诸如由3M生产的Fluoroinert液体FC-
Figure C20068000772200151
固体成分48理想地为颗粒的顺磁物质(例如，这样的物质，其中原子的磁矩并不对齐，并且当被放置于磁场中时，具有与磁场强度成正比的磁化强度)。一种可以的这样物质是粉状磁铁矿(Fe3O4)。
等离子流体22也可以包含其他成分，诸如酯基燃料改造剂(reformulator)和/或密封润滑剂。
等离子流体22理想地由其中悬浮有颗粒状顺磁固体的抗磁液体组成。当等离子流体22汽化时，产生的蒸汽携带顺磁电荷，并维持其受电磁场影响的能力。也就是说，等离子流体22的气体形式为等离子体。
下面参照图1进行说明。
顺磁流体22被流体加热器26加热，以变成等离子体。更具体的说，顺磁流体22在流体加热器26内被能量交换器50加热。能量交换器50构造为交换输入能量或将输入能量转换成热能，并利用热能加热等离子流体。能量的交换和转换可以在不背离本发明精神的情况下，通过电的、机械的或流体学的方式完成。
用于能量交换器50的输入能量可以是任何希望的能量形式。例如，优选的输入能量可包括(但不限于)辐射52(例如，太阳辐射或核辐射)、振动54(例如，声振动，波动，和声致发光)、以及从外部能量源58获得的热量56。热量56可以通过辐射、对流和/或传导而被传递给能量交换器50。
等离子体涡流发动机20是外燃发动机。从理论上，这可以简单地认为是指：燃料消耗发生在发动机20的外侧。这是指输入能量为不发生燃烧的能量(例如，太阳能)的情况。
相反地，“外燃发动机”也可以从字面上被认为是指：存在与能量交换器50连接的外部燃烧室60。这是本发明的一个优选实施方式。在这个实施方式中，燃料62在燃烧室60内通过燃烧而被消耗(即，燃料62发生燃烧)。由这个燃烧产生的热量56变成能量交换器50的输入能量。
本发明的燃烧室实施方式能够理想地用在多种应用中。例如，在机动车辆中，燃料62可以为氢和氧、液化天然气、或任何普通(且理想地为无污染的)易燃物质。作为另一个示例，在固定安装的发动机20中，燃料62可以为天然气、油、或去硫的粉煤。在任何情况下，燃料62在燃烧室60中燃烧，并且将所产生的热量56用于加热能量交换器50中的等离子流体22。
图3和图4分别表示根据本发明优选实施方式的膨胀室30的外部等距视图和内部侧视图。下面将参照图1，图3和图4进行说明。
膨胀室30由壳体64、固定至壳体64的第一端板66、和相对于第一端板66固定至壳体64的第二端板68形成。图4表示拆除了第二端板68的膨胀室30的侧视图。
轴36非一致地连接到膨胀室30(即，以使轴36的轴线38不经过膨胀室30的中心70的方式进行连接)。如图1和图3所示，轴36穿过两个端板66和68。本领域技术人员应明白，这对于本发明而言不是必需的。在不背离本发明精神的情况下，轴36可以终止于其中一个端板66或68(并且相应地经过另一端板66或68)。
转子72被容纳在膨胀室30中并同轴地与轴36连接。多个叶片74枢转地连接到转子72、壳体64、或其中一个端板66或68。每个叶片74均由叶片枢轴76、叶片本体78、和叶片滑块80构成。转子72和每个叶片74还包括密封件(未示出)。密封件允许转子72和叶片74与端板66和68、以及允许叶片74与壳体64或转子72保持足够的密封接触，从而提供足够容积的膨胀等离子体。
在图4的实施方式中，叶片74枢转地连接到转子72，而转子72固定地连接到轴36。当发动机20操作时，作用在叶片74上的压力使转子72旋转(壳体64并不旋转)。这又使轴36旋转。当转子72旋转时，每个叶片74向外枢转，以保持与壳体64接触。在某个点处，长度“缩小”的叶片74不足以保持与壳体64的接触。因此，叶片滑块80在叶片本体78上滑动，以增加叶片74的长度并保持接触。
在替代性实施方式(图中未示出)中，叶片74枢转地连接到壳体64或其中一个端板66或68上，且端板66和68中的一个或两个固定地连接到轴36。当发动机20操作时，作用在叶片74上的压力使壳体64旋转。当转子72在轴36上自由地旋转时，转子72起到了用于叶片74的传动和引导(gear and guide)的作用。当转子72旋转时，每个叶片74向内枢转，以保持与转子72接触。在某个点处，长度“缩小”的叶片74不足以保持接触。因此，叶片滑块80在叶片本体78上滑动，以增加叶片74的长度并保持接触。
本领域技术人员应明白，转子72旋转还是壳体67旋转是无实际意义的。为了对此进行说明，假设轴36固定地连接到转子72上。使用替代性实施方式并不背离本发明的精神。
图5表示根据本发明的优选实施方式的具有滑动叶片75且拆除一个端板66或68的膨胀室30的替代性实施方式的侧视图。下面将参照图1和图5进行说明。
转子72容纳在膨胀室30内并与轴36同轴地连接。转子72具有多个叶片通道77。在每个叶片通道77内定位有叶片75。叶片75通过叶片通道77而与转子72滑动地连接。也就是说，每个叶片75均构成在叶片通道77内滑动。每个叶片75均由叶片基部79和叶片延伸部81构成。每个叶片75还包括密封件(未示出)。密封件允许叶片75保持与壳体64和端板66和68的充分密封接触。
在图5的实施方式中，叶片75滑动地连接到转子72，而转子72固定地连接到轴36。当发动机20操作时，作用在叶片75上的压力使转子72旋转(壳体64并不旋转)。这又使轴36旋转。当转子72旋转时，每个叶片75向外滑动，以保持与壳体64接触。在某个点处，长度“缩小”的叶片75不足以保持与壳体64的接触。因此，叶片延伸部81在叶片基部79上滑动，以增加叶片75的长度并保持接触。
为了对此进行说明，假设图4的实施方式，即，具有枢转连接到转子72的叶片74和固定地连接到转子72的轴36。
图6表示用于根据本发明的优选实施方式的等离子体涡流发动机20的操作过程120的流程图。图7至图12表示根据本发明的优选实施方式的膨胀室30(拆除一个端板)在操作过程中的侧视图，并且示出了膨胀室30内的多个单元82，其中参考单元821处于1点钟位置(图7)、3点钟位置(图8)、5点钟位置(图9)、7点钟位置(图10)、9点钟位置(图11)和11点钟位置(图12)。下面将参照图1至图3以及图6至图12进行说明。
过程120描述了等离子体涡流发动机20的操作。在整个操作过程120中，父任务(parent task)122使等离子流体22绕闭环44循环。在闭环44的一部分中，等离子流体22作为等离子体86而离开。
等离子流体22穿过存储器24到达流体加热器26。在任务124中，流体加热器26将等离子流体22转换为等离子体86。在任务126(图7)中，等离子体86被引入膨胀室30。
任务124和126在两个不同情况中的一个下交错并一起工作。
在第一种情况下，在任务128中，干式加热器(block heater)88将膨胀室30加热至所需的操作温度下。一个或多个检测器90检测膨胀室30的温度并连接到温度控制器92，该温度控制器92又使干式加热器88在整个操作过程120中将膨胀室30保持在所需温度下。本领域技术人员应明白，干式加热器88可以是吸热器，其被构造成利用来自流体加热器26的过剩热量来加热膨胀室30。
在任务130中，流体加热器26使等离子流体22过热。也就是说，流体加热器26将等离子流体22加热到大于或等于等离子流体22的蒸发点温度的温度下。
在任务131中，喷射器28通过入口32，将等离子流体22喷射到膨胀室30的单元82中。因为等离子流体22是过热的，因此等离子流体22瞬间蒸发，从而在大致与喷射任务122同时的任务132中变成等离子体86。
在第二种情况下，在任务134中，干式加热器88将膨胀室30加热到超过等离子流体22的蒸发点温度的操作温度下。通过传感器90、温度控制器92和干式加热器88的作用，在整个操作过程120中将膨胀室30保持在这个温度下。
在任务136中，流体加热器26将等离子流体22加热到近似但低于等离子流体22的蒸发点温度的温度下。
在任务138中，喷射器28通过入口32，将等离子流体22喷射到膨胀室30的单元82中。因为膨胀室30的温度高于等离子流体22的蒸发点温度，因此在任务140中，进入到单元82中的喷射物使得等离子流体22被后加热到膨胀室30的温度。这又使等离子流体22蒸发并在任务142中变成等离子体86。
此时，在任一情况下，等离子体86均留在膨胀室30的单元82内。为了对此进行说明，将这个指定的单元82作为参考单元821。参考单元821在图7中在1点钟位置(即，从叶片枢轴76处于12点钟位置到叶片枢轴76处于2点钟位置)，并顺时针旋转，分别经过图8至图12中的3点钟、5点钟、7点钟、9点钟和11点钟位置。
当等离子体86被引入参考单元821(图7)内时，等离子体86在任务144中开始液压和绝热地膨胀。这使得发动机20的动力循环开始。在任务146中，等离子体22的液压和绝热膨胀在前导叶片741(即，在旋转方向34上接壤参考单元821的叶片74)上施加膨胀力94。这使得在任务148中前导叶片741沿旋转方向34移动。这又使转子72和轴36进行旋转34。
在任务150中，由涡流发生器驱动器98驱动的涡流发生器96在参考单元821内产生等离子体86形式的涡流100(图8，图9和图10)。在任务150中，涡流100在前导叶片741上施加旋涡力102。旋涡力102与膨胀力94相加，并促进转子72和轴36进行旋转34(任务148)。
从图7，图8和图9中可知，壳体64的优选曲率为这样的，即：使得从当参考单元821位于大致1点钟位置时直至参考单元821位于大致6点钟位置时，参考单元821的体积增大。这构成了发动机20的动力冲程。这种体积的增大使得可以通过蒸汽液压和绝热膨胀的组合(即，通过膨胀力和旋涡力102和40)来获得能量。为了最大程度地利用获得的能量，理想的是，使壳体64的曲率相对于转子72为使得参考单元821内的空间体积以黄金比率φ增大。黄金比率被定义为：较小部分与较大部分的比率等于较大部分与较小部分和较大部分之和的比率：
a b = b a + b
假设较小部分a为单位，则较大部分，b变成φ
1 φ = φ 1 + φ
φ2＝φ+1
φ2-φ-1＝0
利用二次公式(限为正数结果)：
φ = 1 + 5 2 ≅ 1.618033989 . . .
本领域技术人员把这个数值当作斐波纳契比率(Fibonacci ratio)。根据气体理论应认识到，假定由于干式加热器88(图1)提供相对恒定的温度(因此，由干式加热器88对膨胀室30的加热)，和由叶片74和转子72的密封提供的相对恒定的压力，则可以将绝热膨胀维持至非常高的比率。因此，为了通过绝热膨胀获取最大的能量，参考单元821的体积应根据斐波纳契比率增大。这通过壳体64的曲率以及转子72在壳体64内的偏移来实现。
任务144和152(即，等离子体86的绝热膨胀和涡流100的产生)在发动机20的整个动力循环过程中持续。一旦完成动力循环时，通常在6点钟位置处，参考单元821的体积将随着旋转34的继续而减小。然后，在任务154中，等离子体86通过切入膨胀室30和/或端板66和/或68(未示出)的内部形成的排出槽103，且因此通过出口40(图10和图11)，从参考单元821中被排出。在任务156中，排出的等离子体86被冷凝器42冷凝，变成等离子流体22，并返回存储器24。旋转34继续，直至参考单元821再次处于1点钟位置。
本领域技术人员应明白，前面论述的参考单元的循环(图7-图12)仅代表一个单元74。如图中所示，膨胀室具有六个单元74。当每个单元74到达1点钟位置时(图7)，单元74都将成为参考单元821并继续进行所述任务。因此，在操作过程120中的任意给定时间，在1点钟位置(图7)和9点钟位置(图11)之间的每个单元74都包含等离子体86，并在其循环的某个部分处都由参考单元821表示。
图13表示根据本发明的优选实施方式的四室等离子体涡流发动机20的示意图。图14，图15和图16示出了用于根据本发明优选实施方式的等离子体涡流发动机201的膨胀室30处于1点钟状态108(图14)、12点钟状态110(图15)和2点钟状态112(图16)的内部侧视图。下面参照图1-图3和图13-图16进行说明。
在图13的四室发动机中，有四个大致相同的膨胀室30连接到同一根轴36上。为了区分开这四个室30，将它们标记为301，302，303和304。
通过单独的喷射器28，向四个膨胀室301，302，303和304中的每一个喷射等离子流体22。喷射器28从进气歧管104进料，而进气歧管104又从流体加热器26进料(图1)。
每个膨胀室301，302，303和304的输出传到排气歧管106，并且然后传到冷凝器42(图1)，用于冷凝和再用。
转子72以特定模式连接到轴36。膨胀室302和304内的转子72相对于膨胀室301和303内的转子72移动近似30°。
当膨胀室301具有处于第一状态108(图14)的单元74时，即，处于1点钟位置并准备接收等离子流体22，则膨胀室302具有处于第二状态110(图15)的单元74，即，处于12点钟位置，且比第一状态108提前大约30°(图13)。当膨胀室301中的单元74前进到第三状态112(图16)，即，2点钟位置时，落后第一状态108大约30°，然后膨胀室302中的单元74前进到第一状态108(图14)并准备接收等离子流体22。膨胀室303和304分别以与膨胀室301和302相同的方式进行操作。
存在有四个膨胀室30，且这四个膨胀室30中的每一个均具有六个单元74。因此，使膨胀室302和304的转子72相对于膨胀室301和303的转子72移动30°允许每旋转大约30°，将等离子流体22喷射到膨胀室30中的两个的平稳操作。
在替代性实施方式(未示出)中，通过使膨胀室302的转子72相对于膨胀室301的转子72移动大约15°，使膨胀室303的转子72相对于膨胀室302的转子72移动大约15°，和使膨胀室304的转子72相对于膨胀室303的转子72移动大约15°，可以获得更加平稳的操作。这可以实现每旋转大约15°，将等离子流体22喷射到膨胀室30中的两个的操作。
图17和图18表示根据本发明优选实施方式的具有不同室直径(图17)和不同室深度(图18)的级联等离子体涡流发动机202和203的示意图。下面将参照图1-图3和图13-图18进行说明。
图17的级联四室发动机202与图13的四室发动机201(上文所述)基本相同，除了膨胀室30的直径和等离子体86的路径不同。为了区分开发动机202的四个膨胀室30，将它们分别标记为305，306，307，和308。
同样，图18的级联四室发动机203与图17的级联四室发动机202大致相同，除了膨胀室30的深度不同。为了区分开发动机203的四个膨胀室30，将它们分别标记为309，310，311，和312。
在发动机202中，所有的膨胀室30具有大致相同的深度。因此，每个膨胀室30的体积为膨胀室30的直径的函数。相反的，在发动机203中，所有膨胀室30具有大致相同的直径。因此，每个膨胀室30的体积为膨胀室30的深度的函数。
下面的论述假设了发动机202或203的实例性实施方式，其中每个膨胀室从等离子体86获取到大约百分之七十的势能。等离子体86首先从流体加热器26(图1)经过并喷射到第一膨胀室305或309中。膨胀室305或309具有预定的容积。实验显示，从膨胀室305或309排出的等离子体86损失了其初始绝热势能的大约百分之七十。
然后，从膨胀室305或309排出的等离子体86被喷射到膨胀室306或310中。膨胀室306或310的容积约为膨胀室305或309容积的四分之一。从膨胀室306或310排出的等离子体86又损失了其绝热势能的大约百分之七十，或其初始绝热势能的大约百分之九十一。
然后，从膨胀室306或310排出的等离子体86被喷射到膨胀室307或311中。膨胀室307或311的容积约为膨胀室306或310的四分之一(即，约为膨胀室305或309的体积的十六分之一)。从膨胀室306或310排出的等离子体86又损失了其绝热势能的大约百分之七十，或其初始绝热势能的大约百分之九十七。
然后，从膨胀室307或311排出的等离子体86被喷射到膨胀室308或312中。膨胀室308或312的容积约为膨胀室307或311的四分之一(即，约为膨胀室305或309的体积的[w1]三十二分之一)。从膨胀室307或311排出的等离子体86又损失了其绝热势能的大约百分之七十，或其初始绝热势能的大约百分之九十九。
然后，完全排出的等离子体86被传送到冷凝器42(图1)以进行冷凝和再循环。
这样，级联等离子体涡流发动机202和203从等离子流体22获得最大量的能量。
本领域技术人员应明白，前面所论述的图13，图17和图18的四室实施方式仅为示例性的。使用具有除四个膨胀室30之外的多室的实施方式(即，六个室)没有背离本发明的精神。
总言之，本发明提供了等离子体涡流发动机20及其操作方法120。等离子体涡流发动机20为利用外部燃烧的旋转式发动机。等离子体涡流发动机20还利用在中等温度和压力下的绝热气体膨胀。
虽然已经详细示出并说明了本发明的优选实施方式，但是本领域技术人员容易明白，在不背离本发明的精神或所附权利要求书的范围的情况下可以作出各种不同的修改。

Claims (21)

1.一种等离子体-涡流发动机(20)，包括：
等离子流体(22)，其被构造成：在其蒸发时变为等离子体(86)；
流体加热器(26)，其被构造成用于加热所述等离子流体(22)；
膨胀室(30)，其包括：
壳体(64)；
固定到所述壳体(64)的第一端板(66)；和
相对于所述第一端板(66)固定到所述壳体(64)的第二端板(68)；
非一致地连接到所述膨胀室(30)的轴(36)；
在所述膨胀室(30)内同轴地连接到所述轴(36)的转子(72)；
多个叶片(74)，所述多个叶片连接到下列的其中之一；
所述转子(72)；
所述壳体(64)；和
所述第一和第二端板(66；68)中的一个；以及
涡流发生器(96)，其连接到所述膨胀室(30)，并被构造为在所述膨胀室(30)内产生等离子体涡流(100)。
2.根据权利要求1所述的等离子体-涡流发动机(20)，其中
所述发动机还包括入口(32)，所述等离子体(86)通过该入口而被引入所述膨胀室(30)，其中所述等离子流体(22)在上述引入之前或在引入过程中被蒸发成所述等离子体(86)；
所述等离子体(86)在所述膨胀室(30)内绝热膨胀并且对所述多个叶片(74)中的一个施加膨胀力(94)；
所述等离子体涡流(100)对所述一个叶片(74)施加旋涡力(102)；
所述转子(72)和所述壳体(64)中的一个响应于所述膨胀力和旋涡力(94，102)而转动；并且
所述发动机(20)还包括出口(40)，所述等离子体(86)通过该出口而从所述膨胀室(30)被排出。
3.根据权利要求1所述的等离子体-涡流发动机(20)，其还包括冷凝器(42)，该冷凝器(42)在所述出口(40)和入口之间连接到所述流体加热器(26)，并且被构造为将所述等离子体(86)冷凝成所述等离子流体(22)。
4.根据权利要求1所述的等离子体-涡流发动机(20)，其中所述流体加热器(26)包括外部燃烧室(60)，其被构造为通过燃料(62)的燃烧来对所述等离子流体(22)进行加热。
5.根据权利要求1所述的等离子体-涡流发动机(20)，其中所述流体加热器(26)包括能量交换器(50)，其被构造为通过来自外部能量源(58)的能量传递来对所述等离子流体(22)进行加热。
6.根据权利要求5所述的等离子体-涡流发动机(20)，其中所述外部能量源(58)利用热(56)、辐射(52)和振动(54)形式的能量。
7.根据权利要求1所述的等离子体-涡流发动机(20)，其中所述等离子流体(22)包括：
不反应的液体成分(46)；和
顺磁的固体成分(48)。
8.根据权利要求7所述的等离子体-涡流发动机(20)，其中所述不反应的液体成分(46)是抗磁的。
9.根据权利要求7所述的等离子体-涡流发动机(20)，其中所述顺磁的固体成分(48)为颗粒。
10.根据权利要求1所述的等离子体-涡流发动机(20)，其中所述多个叶片(74)中的每一个均被枢转地连接到下列中的一个：
所述转子(72)；
所述壳体(64)；和
所述第一端板和第二端板(66，68)中的一个。
11.根据权利要求1所述的等离子体-涡流发动机(20)，其中，在所述多个叶片(74)连接到所述转子(72)的情况下，所述多个叶片(74)中的每一个均被滑动地连接到所述转子(72)。
12.一种发动机(20)的操作方法(120)，所述方法(120)包括以下步骤：
加热(136)等离子流体(22)；
将由所述等离子流体(22)获得的等离子体(86)引入(126)膨胀室(30)；
使所述等离子体(86)绝热膨胀(144)；
响应于所述膨胀行为(144)，在所述膨胀室(30)内对多个叶片(74)中的一个施加(146)膨胀力(94)；
响应于所述施加行为(146)，使转子(72)和壳体(64)中的一个旋转；和
从所述膨胀室(30)排出(154)所述等离子体(86)。
13.根据权利要求12所述的方法(120)，其中：
所述方法(120)还包括以下步骤：
在所述膨胀室(30)内的所述等离子体(86)中产生(150)涡流(100)；和
响应于所述产生行为(150)，对所述一个叶片(74)施加(152)旋涡力(102)；并且
响应于所述施加行为和施加行为(146，152)，所述旋转行为(148)使所述转子(72)和所述壳体(64)中的一个旋转。
14.根据权利要求12所述的方法(120)，其中：
所述加热行为(136)将所述等离子流体(22)加热到下列温度中的一个下：
大于或等于所述等离子流体(22)的蒸发点的温度；和
小于且接近所述等离子流体(22)的所述蒸发点的温度；
当所述加热行为(136)将所述等离子流体(22)加热到大于或等于所述等离子流体(22)的蒸发点的温度下时，所述引入行为(126)包括：
响应于所述加热行为(136)，使所述等离子流体(22)蒸发(142)，以形成所述等离子体(86)；和
将所述等离子体(86)喷射(138)到所述膨胀室(30)中；并且
当所述加热行为(136)将所述等离子流体(22)加热到小于且接近所述等离子流体(22)的蒸发点的温度下时，所述引入行为(126)包括：
将所述等离子流体(22)喷射(138)到所述膨胀室(30)中；和
响应于所述喷射行为(138)，使所述等离子流体(22)蒸发(142)，以形成所述等离子体(86)。
15.根据权利要求12所述的方法(120)，还包括以下步骤：
使所述等离子流体(22)在所述发动机(20)和构造用以进行所述加热行为(136)的流体加热器(26)之间的闭环(44)中进行循环(122)；和
响应于所述加热行为(136)，对于至少一部分所述闭环(44)，将所述等离子流体(22)转换(124)成所述等离子体(86)。
16.根据权利要求12所述的方法(120)，还包括以下步骤：
在所述闭环(44)中，将所述等离子体(86)冷凝成所述等离子流体(22)。
17.根据权利要求12所述的方法(120)，其中所述加热行为(136)响应于外部能量源(58)加热所述等离子流体(22)；和
所述外部能量源(58)为下列中的一个：
热(56)；
辐射(52)；和
振动(54)
18.根据权利要求12所述的方法(120)，还包括以下步骤：
由所述壳体(64)、第一端板(66)和第二端板(68)形成所述膨胀室(30)；
将转子(72)包围在所述膨胀室(30)内；
将轴(36)非一致地连接到所述膨胀室(30)；
将所述轴(36)同轴地连接到所述转子(72)；和
将所述多个叶片(74)枢转地连接到下列中的一个：
所述转子(72)；
所述壳体(64)；和
所述第一端板和第二端板(66，68)中的一个。
19、一种等离子体-涡流发动机(20)，包括：
等离子流体(22)，其被构造成在其蒸发时变成等离子体(86)；
流体加热器(26)，其被构造为加热所述等离子流体(22)；
多个膨胀室(30)，其中每个所述膨胀室均包括：
壳体(64)；
固定到所述壳体(64)的第一端板(66)；和
相对于所述第一端板(66)固定到所述壳体(64)的第二端板(68)；
非一致地连接到所述膨胀室(30)的轴(36)；
同轴地连接到所述轴(36)的多个转子(72)，其中每个所述转子(72)被包围在所述膨胀室(30)中的一个内；
多个叶片(74)，其中对于每个所述膨胀室(30)，所述多个叶片(74)连接到下列的其中之一：
所述转子(72)；
所述壳体(64)；和
所述第一端板和第二端板(66；68)中的一个；以及
涡流发生器(96)，其被构造为在每个所述膨胀室(30)内产生等离子体涡流(100)。
20.根据权利要求19所述的发动机(20)，其中
所述流体加热器(26)加热所述等离子流体(22)；
在第一膨胀室(301)处于第一状态(108)且第二膨胀室(302)处于所述第一状态(108)之前的第二状态(110)时，所述等离子体(86)被引入所述第一膨胀室(301)，其中所述等离子流体(22)在上述引入之前或在引入过程中被蒸发成所述等离子体(86)；
所述等离子体(86)在所述第一膨胀室(301)内对所述多个叶片(74)中的一个施加力(94)；
所述轴(36)响应于所述力(94)而旋转，从而使所述第一膨胀室(301)从所述第一状态(108)转换到在所述第一状态(108)之后的第三状态(112)，并且使所述第二膨胀室(302)从所述第二状态(110)转换到所述第一状态(108)；
所述等离子体(86)被引入所述第二膨胀室(302)，其中所述等离子流体(22)在上述引入之前或引入过程中蒸发成所述等离子体(86)；
所述等离子体(86)在所述第二膨胀室(302)内对所述多个叶片(74)中的一个施加所述力(94)；和
所述轴(36)响应于所述力(94)而旋转，从而使所述第二膨胀室(302)从所述第一状态(108)转换到所述第三状态(112)。
21.根据权利要求19所述的发动机(20)，其中：
所述流体加热器(26)加热所述等离子流体(22)，以产生所述等离子体(86)；
来自所述流体加热器(26)的所述等离子体(86)被引入具有第一容积的第一膨胀室(301)，其中所述等离子体(86)在所述第一膨胀室(301)内膨胀并被该第一膨胀室排出；
来自所述第一膨胀室(301)的所述等离子体(86)被引入到具有第二容积的第二膨胀室(302)，其中所述第二容积小于所述第一容积，且其中所述等离子体(86)在所述第二膨胀室(302)内膨胀并被该第二膨胀室排出；
来自所述第二膨胀室(302)的所述等离子体(86)被引入到具有第三容积的第三膨胀室(303)，其中所述第三容积小于所述第二容积，且其中所述等离子体(86)在所述第三膨胀室(303)内膨胀并被该第三膨胀室排出；和
来自所述第三膨胀室(303)的所述等离子体(86)被引入到具有第四容积的第四膨胀室(304)，其中所述第四容积小于所述第三容积，且其中所述等离子体(86)在所述第四膨胀室(304)内膨胀并被该第四膨胀室排出。
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