CN101828029B - 多级液压气体压缩/膨胀系统和方法 - Google Patents

多级液压气体压缩/膨胀系统和方法 Download PDF

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Abstract

通过执行气体的连续的膨胀/压缩，当以马达的方式工作时用来将加压气体(特别地是空气)的势能转换为机械功，并且当以压缩机模式工作时当旋转时用来从旋转轴(A1.1)的机械功产生压缩气体的多级液压系统和方法。所述系统的每一个包括：由具有不同容量并且集成气体/液体分离热交换器(A.3.1.5)的数个液压压缩-膨胀模块(A.3a到A.3d)组成的多级压缩-膨胀单元(1.3)，设计成通过执行气体的基本等温的压缩/膨胀而将压动力转换为液压动力和反之亦然；单级或多级、直接或间接、外部强制通风热交换器(A.2)，用来将活性气体维持在周围温度；和多回路、多排量液压马达/泵(A.1)，用来将液压动力转换为机械功和反之亦然。

Description

多级液压气体压缩/膨胀系统和方法
技术领域
本发明涉及高效率地产生高压气体的方法和将加压气体的势能转换为机械功以及反过来的方法，以及可逆自控制液压系统，该可逆自控制液压系统通过执行连续的高效率压缩/膨胀而将压缩气体(特别地是空气)的压力能直接转换为机械功，并且反之亦然。
背景技术
在说明书的末尾给出在这部分中引用的参考文献清单。
本发明涉及高压空气的产生，该高压空气用于呼吸目的(医疗、潜水等)或用作用于各种空气动力工具和工业工艺的动力源或动力传输。本发明也涉及如在压缩空气提供动力的小汽车中那样将压缩空气用作能量存储介质，或者例如用来规避诸如太阳能和风能的一些可再生能源的间歇特性。
压缩空气的势能通常通过首先将其转换为机械功而被利用。为了这个目的，已经提出两种主要类型的能量转换系统：仅有的活性流体是空气的纯气动转换系统；和将至少一种液体(油、水)用作活性流体的液压气动转换系统。
气动转换系统
气动转换是为了能量转换目的而利用压缩空气的第一种(并且仍然是仅有的商业上可获得的)转换方案。对于低和中功率范围或高压缩比，它存在于主要使用正排量(或容积式)空气机器来产生压缩空气并且以后从其提取能量。在这些机器中，工作室中的工作流体的体积的改变产生机械构件的相当位移，因此传输能量并且反之亦然。因此，与运动(或涡轮)机器中不一样，流体的动力效应不重要，其中在运动(或涡轮)机器中，工作流体的动能转换为机械运动以及反过来。存在两种主要类型的容积式机器：
如瓣片、叶片和螺旋机器的旋转机器。
如膜片和活塞机器的往复机器。在大多数高功率和压力比范围内，活塞式因为其较高的效率和压力比因此是常用的。
由于难以在这些工作室中实现等温过程，因此压缩/膨胀过程被细分为数个级并且热交换器插在其间。因此，取决于热交换器的性能，完整的循环或多或少接近等温循环。这个原理与19世纪在推进中第一次应用压缩空气一样古老并且它在今天随着压缩空气提供动力的小汽车的新发展而得到更多关注和改进[1]。然而，由于在压缩/膨胀室中实施良好的热交换的困难以及与空气的气体性质相关的重要的泄漏和摩擦，这种转换系统的压力等级和转换效率仍然较低并且使其对于大多数能量应用来说比较低效。
液压-气动转换
由于液压机器不具有上述问题并且因此具有很高的转换效率，因此已经研究了使用液压机器来规避纯空气机器的缺点。使用液压系统来压缩/膨胀空气的主要难题中的一个是液体到空气的界面。
第一种方案已经由Cyphelly & al.提出并且以缩写词“BOP：Batteries with Oil-hydraulics and Pneumatics”在[2]，[3]中被描述。在这种系统中，在集成“薄板热交换器”的交替的液体活塞工作室中压缩/膨胀空气。在压缩期间，薄板将热从气体顶部传递到液体底部，在膨胀期间相反。然而，良好的热交换将需要高密度的板，这是不容易实现的。
最近，另一种方案已经被Rufer & al.申请专利权，在该方案的作为主要原创提议的工作室中，通过以“淋浴”的形式在室中喷射液体而执行压缩，允许快速且有效地吸收压缩热[4]。然而，这种方案在膨胀期间需要外部液体循环泵来再加热空气。
在两种情况下都有这样的担心，即由于两种流体之间的直接接触而使空气扩散到液体中。此外，这些液压-气动系统由于它们是数个不同的部件和机器的组件，因此有点庞大。此外，这些分开式布局需要用于系统的工作的命令和控制的许多辅助装置。
美国专利1929350公开了一种用来压缩气体的设备，该设备具有外部热交换器，该外部热交换器通过穿过膨胀/压缩室的管循环外部冷却液体。
所希望的是，提供一种具有简单且高效率的集成热交换器的液压-气动转换系统，该热交换器在压缩和膨胀期间都可以高效率地工作。也希望的是，具有一种可容易地适应静止的以及移动的应用的更紧凑、灵活且可升级的方案。本发明提出原创的方案来实现这些目的。
发明内容
本发明提供一种多级液压系统，该多级液压系统通过执行气体的连续的准等温膨胀/压缩，当沿一个方向旋转轴时，用来将加压气体(特别地是空气)的势能转换为机械功，并且当沿相反方向或沿相同方向旋转该轴时，用来从旋转轴的机械功产生压缩气体。该创造性系统包括：
-由数个压缩/膨胀模块组成的多级液压气体压缩/膨胀单元，每个压缩/膨胀模块具有不同容积的压缩/膨胀室。每个模块集成内部气体/液体分离热交换器并且布置成通过气体的准等温压缩/膨胀将压力动力转换为活性液体的液压动力，并且反之亦然。
-位于压缩/膨胀单元外部的外部热交换器，用来使已经在压缩/膨胀单元中通过气体压缩/膨胀被加热/冷却的活性液体外部循环，并且布置成通过与周围空气的热传递将外部循环的活性液体保持在大体上恒定的温度。
-具有公共驱动/从动可旋转轴的可逆多回路多排量液压马达/泵。这个液压马达/泵布置成将液压动力转换为可旋转轴的机械动力以及反过来。该液压马达/泵具有与压缩/膨胀单元的压缩/膨胀模块对应的数个回路，每个回路具有不同的排量并且连接到对应排量或容积的压缩/膨胀模块。
在一个实施例中，根据本发明的发动机由数个液压-气动级组成，该数个液压-气动级在底侧安装在公共曲轴上并且在顶侧串联连接在空气回路中以执行高效率的多级压缩或膨胀过程。每个级由三个主要部分组成：
-专用的液体-活塞单元，该专用的液体-活塞单元借助集成的“管状热交换器”通过执行等温压缩-膨胀过程将压力能转换为液压动力，该管状热交换器允许流入和流出的活性液体吸收/提供压缩/膨胀热。因此，活性液体起到动力传输和热传递的角色。
-强制通风外部热交换器，该强制通风外部热交换器通过与周围环境交换热将活性液体维持在周围温度。这个热交换器的风扇由曲轴通过带或链直接驱动。
-单汽缸无阀液压马达-泵(SCMP)，将液压动力转换为机械功以及反过来。
由公共凸轮轴操作的数个空气和液体阀用于控制压缩/膨胀和两种流体从一个外壳到另一个外壳的传递。数个压力控制的空气阀也用于以可变级构造操作该系统。不同的部分布置成形成单个紧凑实施例并且使阀的自动控制和外部热交换器的风扇的驱动容易。
在权利要求中阐述创造性系统的另外实施例。
本发明的其它方面是一种通过执行一连串的变换用来将加压气体(特别地是空气)的势能转换成旋转轴的机械功的方法，和一种通过执行一连串的变换用来由旋转轴的机械功来压缩气体(特别地是空气)的补充方法，如在权利要求中更详细地阐述的。
在这些方法中，有利的是，涉及多级液压气体膨胀/压缩单元的两个级、多回路多排量液压马达/泵的两个回路和外部热交换器的一连串变换被重复数次以便在级之间以相等的膨胀/压缩比执行多级膨胀/压缩过程。
根据以下具体描述，本发明的这些和另外特征将是显然的。
附图说明
将参考附图以例子的方式描述本发明，其中：
图1a和1b是创造性多级液压气体压缩/膨胀系统(系统1)的并排图，该系统使用用于每一个压缩/膨胀级的多级径向活塞马达/泵的一个“活塞-杆-曲轴”系统以及安装在多级马达/泵和压缩/膨胀单元之间的多级多回路热交换器。
图2详细示出具有直接“周围空气/活性液体”多级外部热交换器的创造性多级液压气体压缩/膨胀系统的一个变型的两个级。
图3详细示出具有间接“周围空气/活性液体”多级外部热交换器的创造性多级液压气体压缩/膨胀系统的另一个变型的两个级。
图4示出具有集成的内部热交换器的创造性系统的液压气体压缩/膨胀模块的可能布局。
图5是集成在液压气体压缩/膨胀模块中的管状热交换器的布局的剖开透视图；为了清楚起见，仅仅示出总数量的一部分的管，一个管被分离地示出。
图6a是用于管状热交换器的管的保持板的剖开透视图并且图6b是剖开顶视图。
图7是用于管状热交换器的可移动流体分离板的剖开透视图并且图7b是剖开顶视图。
图8示出集成在液压气体压缩/膨胀模块中的内部热交换器的其它可能布局。
图9a以透视图示出根据本发明的液压气体压缩/膨胀发动机的“单列”竖直布局。
图9b勾画根据本发明的液压气体压缩/膨胀发动机的“V”布局。
图10是另一创造性多级液压气体压缩/膨胀系统(系统2)的简图，该系统使用不同类型的多级多排量马达/泵和为所有的级使用公共低压热交换器和液体储存器。
图11详细示出第二创造性多级液压气体压缩/膨胀系统(系统2)的变型。
图12示出仅用于压缩工作模式的创造性系统2的多级气体方向控制单元的变型。
图13示出仅允许所有液压气体压缩/膨胀模块串联连接在气体回路上的创造性系统2的多级气体方向控制单元的变型。
图14示出创造性系统2的多级液体方向控制单元的变型。
图15示出使用2端部轴发电机的创造性系统2的多级多排量液压马达/泵的分开式构造。
具体实施方式
第一创造性系统(系统1)的构造
如图1中示出的，根据本发明的机器由6个主要部分组成：
-专用的多回路多排量液压活塞马达/泵A.1。
-由数个2-回路热交换级A.2a到A.2d组成的多级多回路热交换器A.2。
-具有集成的热交换器的多级多容量液压气体压缩/膨胀单元A.3。
-由数个方向阀组成的多级气体方向控制单元A.4，用来控制压缩/膨胀模块和主系统的气体吸入/排出端口Ea和Sa之间的气体流动方向。
-公共凸轮轴A.5，用来控制所有压缩/膨胀模块的气体和液压阀。
-机械传输线A.6，在必要的情况下用来在单元之间传输机械动力。
多级液压气体压缩/膨胀单元
示出的压缩-膨胀单元设计成执行快速且几乎等温的过程。它由偶数个(至少两个)不同容积的液压气体压缩/膨胀模块A.3a到A.3d组成，并且这些液压气体压缩/膨胀模块包含专用的气体/液体热交换器A.3.1.3。在图4中给出液压气体压缩/膨胀模块的简化图。它主要由集成专用热交换器A.3.1.3的竖直压缩/膨胀外壳A.3.1组成。通过四个阀控制的端口可进入其内腔：两个空气端口A.3.1.4.1和A.3.1.4.2，以及两个液体端口A.3.1.5.1和A.3.1.5.2。每个阀根据工作模式(即压缩或膨胀)起到吸入阀或排出阀的作用。这些阀的命令由公共凸轮轴A.5执行，该公共凸轮轴由曲轴A.1.1通过由带或链A.6.2以及轮A.6.1和A.6.3组成的机械传输线A.6驱动。
专用的气体/液体热交换器A.3.1.3是实现准等温过程的关键元件。图5的透视图中示出该热交换器的可能布局。它由头分配板A.3.1.3.1组成，许多热交换管状中空通道A.3.1.3.2在它们的顶端被固定在那里。这些很薄的管在整个板表面上均匀分布并且在它们的底端由允许流体在管之间流动的薄的多孔保持板A.3.1.3.3保持在一起。在图6a的透视图和图6b的顶视图中示出这种保持板。
热交换器安装成在外壳的顶盖下提供液体分配室A.3.1.1。液体端口被布置且构造成使得液体容易在该室内均匀分布。头分配板A.3.1.3.1提供隔离中心通道，气体歧管通过该隔离中心通道延伸到压缩-膨胀室中。
在理想情况下，如图4a中示出的，在压缩-膨胀室中的空气和液体之间存在直接接触。在那种情况下，在吸入行程期间可以使用包括管的内容积的压缩-膨胀室的几乎整个容积。这可以实现，例如，通过使中心管尽可能长以吸收在室的底部的所有液体因此允许空气流入管内。
取决于液体(它优选地为水或水乳化液)的性质和压力水平，可能发生气体或多或少扩散到液体中，这可引起该系统的所有或部分的不正确工作或过早故障。为了避免这种情况，可以用可移动的分离薄板A.3.1.3.4分离两种流体，如图5中所示。在图9的透视图中更详细地示出这种板。它必须被精密地制造并且被良好地引导以减小与管和压缩-膨胀室的内表面的摩擦。借助液体分离板，有用容积被限制到管之间的空间；但在那种情况下，压缩/膨胀单元可以上下颠倒以便使阀位于底侧上，这将缩短与外部热交换器的液压连接。
图8中示出热交换器A.3.1.3的其它可能布局，主要不同之处在于中空通道的形式和它们在头分配板A.3.1.3.1上的分布。在图8a中，中空通道具有“长圆形”形状并且围绕板轴线“径向”布置。在图8b中，中空通道具有“圆形”形状并且围绕板轴线“同心”布置。在每一种情况下，相应地设计保持板A.3.1.3.3和可移动流体分离板A.3.1.3.4。
多回路多排量液压马达/泵
这个装置是由不同排量的数个单汽缸无阀活塞马达/泵A.1a到A.1d组成的且安装在公共曲轴A.1.1上的专用液压机器。每个级将活性液体的交替的流入/流出转变为曲轴的旋转运动并且反之亦然。它包括液体汽缸A.1.4a-A.1.4d，活塞A.1.3a-A.1.3d在该液体汽缸内平移。由于经典的杆A.1.3a-A.1.3d/曲轴A.1.1联合体，该活塞的平移运动转变为旋转运动。通过两个未受控制的端口A.1.5a-A.1.5d进入液体汽缸，该两个未受控制的端口的每一个连接到对应热交换器的级的回路。当液体通过一个端口流入汽缸时，由于液体阀A.3.1.6.1和A.3.1.6.2(图4)的控制，它通过另一端口流出汽缸。因此，液体总是在封闭回路中流动。
外部多级多回路热交换器
外部热交换器A.2是保证活性液体和周围空气之间的快速热交换的强制通风散热器。可以如图2中所示直接地或如图3中所示间接地执行这个热交换。在直接情况下，热交换器由数个高压液压回路(每级2回路：A.2.1和A.2.2)组成，该数个高压液压回路被实现在一种“蜂窝”通道内，在该“蜂窝”通道处安装在一个末端的风扇A.2.3吹动周围空气。风扇A.2.3由曲轴A.1.1通过由带或链A.6.2以及轮A.6.1和A.6.6组成的机械传输线驱动。回路的每一对在其底侧上连接到液压马达/泵的对应级的未受控制的端口A.1.5a-A.1.5d，并且在其顶侧上连接到液压气体压缩/膨胀单元A.3a、A.3d的对应级的液体端口。
在图3中提出热交换器A.2的一种替代构造，这种构造减小了实现高压紧凑空气热交换器的困难。在这种构造中，由于嵌入的液体/液体热交换器A.2.5-A.2.6，热首先从活性液体传递到低压水。此后，低压水被小泵A.2.9驱动到与周围空气发生热交换的分离的经典散热器A.2.8中。泵A.2.9和散热器的风扇如前述情况中那样被曲轴A.1.1驱动。类似于小汽车的发动机的分开式构造的外部热交换器的这种分开式构造使得系统的整体汽缸座设计和构造容易，同时允许增加分离的强制通风散热器的表面此提高热交换效率。
设计标准：容积比
对于每个级，由于压缩/膨胀过程仅持续曲轴的半圈，因此液压气体压缩/膨胀模块A.3a到A.3d的有用容积等于对应级的单汽缸无阀径向活塞马达/泵的汽缸A.1.4a到A.1.4d的容积(对于级A为V0)。
外部热交换器的每个高压回路A.2.1a到A.2.1d和A.2.2a到A.2.2d的容积至少等于对应的单汽缸无阀径向活塞马达/泵的汽缸A.1.4a到A.1.4d的容积(对于级A为V0)。
上述元素中的一个和下一个连续级中的类似的一个之间的容积比等于压缩比Cr，以便使级的工作同步。
工作原理-通用原理
给出的系统的每个级如2行程发动机那样工作：
-气体进入压缩/膨胀模块的压缩/膨胀室A.3.2a到A.3.2d的吸入行程。这个行程在压缩机工作模式期间是被动的并且在马达工作模式期间是主动的。
-气体排出压缩/膨胀模块的压缩/膨胀室A.3.2a到A.3.2d的排出(或传递)行程。这个行程在压缩机工作模式期间是主动的并且在马达工作模式期间是被动的。
因此，压缩/膨胀过程总是与气体传递同时进行，除了当借助高压空气箱通过高压端口Sa执行传递时。在那种情况下，来自该模块或进入该模块的气体传递将仅仅持续行程时间的一部分，其持续时间取决于箱中的压力水平。由于压缩和传递工作的这种同时性，这些过程将总是涉及不同容积的两个连续的级(除了当它们通过端口Sa和Ea相对于外界执行时)，一个执行吸入行程并且从执行排出行程的另一个接收气体。因此，在多级工作中，两个连续的级总是以相反的行程工作。例如，在如图1中示出的4级系统的情况下，取决于旋转方向，当级B和D执行排出行程时级A和C执行吸入行程，并且反之亦然。
级的数量取决于希望压力水平。对于给定的希望压力，这个数量越大，级的压缩比将越小并且热力学效率也将越高。由于在两个行程期间主动级的数量将相等，因此偶数的级将在曲轴的一个整圈上保证更加恒定的机械扭矩。
每个级中的液体具有两个重要的作用：
-它是液压机器的每个压缩-膨胀模块和对应级之间的动力传输链。
-它也是同一压缩-膨胀室和周围空气之间通过外部热交换器的热载体介质。
因为级之间的容量差异，因此活性液体的所需容积不是对所有的级都相同。为避免对曲轴的不平衡的机械约束，施加在所有活塞上的力(该力是每个室的压力和对应活塞的表面积的积)必须对于所有的级都相同。在所有的级具有相同压缩比Cr的情况下，可以写出以下关系：
Cr = p a p 0 = p b p a = p c p b = p d p c = · · · = p x p x - 1 - - - ( I )
其中(p0)是端口Ea处的压力并且(pa到pd)是每个级的出口处的压力，如图1中所示。如果等温压缩过程被假定为目标，则关系(I)可写成：
Cr = V 0 V a = V a V b = V b V c = V c V d = · · · = V x - 1 V x - - - ( II )
其中Vx是液压机器8A.1的液体汽缸A.1.4a-A.1.4d的容积。由于活塞将具有相同的排量，因此(II)中的容积比可以被以下半径比代替：
Cr = R 0 2 R a 2 = R a 2 R b 2 = R b 2 R c 2 = R c 2 R d 2 = · · · = R x - 1 2 R x 2 - - - ( III )
因此，液压机器的给定级(x)的汽缸直径与连续的低压汽缸(x-1)的汽缸直径具有如下关系：
D x = D x - 1 CR - - - ( IV )
应当注意，这种关系对于压缩-膨胀模块来说不是强制的，由于它们可以制成不同长度并且甚至不同形状。然而，它们的压缩-膨胀室的有用容积应当满足关系(II)。
施加到活塞A.1.3b的机械力Fb由以下公式给出：
Fb＝pbSb                        (V)
其中Sb表示活塞A.1.3b的表面积。类似地，施加到与活塞A.1.3b同步地工作的活塞A.1.3d的机械力Fd为：
F d = p d · S d = CR 2 p b · S b CR 2 = p b · S b = F b - - - ( VI )
其中Sd表示活塞A.1.3d的表面积。这个关系显示，在所有的级具有相等压缩比的情况下，曲轴A.1.1受到平衡的机械作用力，即使活塞的直径不同。
压缩机工作模式
基于图1、2和4的示意图描述压缩机工作。3-通路2-位置分配阀A.4.1b到A.4.1d和A.4.2a到A.2.2c保持在这些图上示出的位置。压缩过程存在于从大气压力(p0)到存储箱中允许的最大容许压力(pd)的顺序的级上的一系列吸入-排出/压缩循环。
每个循环持续曲轴A.1.1的一圈。如上所述，两个连续的级总是以相反的相位工作并且同时进行压缩和传递过程；实际上，压缩过程仅仅存在于气体从一个模块到较小容积的下一个模块的传递。因此，给定级的气体排出和液体吸入阀与较小容积的下一级的气体吸入和液体排出阀同相地工作。
起始点被定义为级A的活塞A.1.3a处于顶死点(TDC)并且通过向下移动而开始吸入行程的点。压缩/膨胀模块的A.3a的气体吸入阀A.3.1.7.1a和液体排出阀A.3.1.6.1a由凸轮轴A.5的凸轮同时打开。同时，级B和D的活塞A.1.3b和A.1.3d处于底死点，准备开始压缩行程。因此打开气体排出阀A.3.1.7.2b和A.3.1.7.2d以及液体吸入阀A.3.1.6.2b和A.3.1.6.2d。级C与级A处于相同状态；气体吸入阀A.3.1.7.1c和液体排出阀A.3.1.6.1c打开并且模块A.3c的室A.3.1.2c与模块A.3b的室A.3.1.2b连接。
在活塞A.1.3a向下运动时，允许新鲜气体通过消音器A.9和过滤器A.7进入压缩-膨胀室A.3.1.2a。同时，在前面的压缩循环期间被加热的液体被从外壳取出并且传递到外部热交换器的回路A.2.1a中，替代那里的在前面的循环期间已经被冷却的液体，并且该已经被冷却的液体现在被传递到液体汽缸A.1.4a中。与活塞A.1.3a的下降同时，活塞A.1.3b上升并且将其液体含有物排入热交换器的回路A.2.2b，在该回路A.2.2b中它替换等量的已冷却的液体，而该已冷却的液体被喷射到室A.3.1.2b中，从而通过将封闭的气体传递到级C的较小的室A.3.1.2c中而压缩封闭的气体。该气体被传递到室A.3.1.2c中引起该室的液体含有物通过液体排出阀A.3.1.6.2c流出。该流出液体进入热交换器的回路A.2.1c并且将回路A.2.1c的含有物传递到汽缸A.1.4c中，在该汽缸A.1.4c中，活塞A.1.3c被向下驱动。在级D与级B同相工作时，活塞A.1.3d向上运动并且将热交换器的回路A.2.2d的液体含有物喷射到模块A.3d的压缩室中，以压缩其气体含有物。在气体排出阀A.3.1.7.2d打开时，当室A.3.1.2d内的压力略微高于高压气体箱(未示出，连接到端口Sa)内的压力时，止回阀A.4.3打开并且已压缩的空气被传递到该箱中。
在传递行程期间，沿集成的热交换器A.3.1.3的中空管(或通道)向下流入压缩/膨胀室的冷的压缩液体首先与通过压缩被加热且被向上推动的气体接触(通过这些管或通道的很薄的壁)。两种流体的这种逆流允许液体快速吸收压缩热并且因此将气体维持在几乎恒定的温度。该液体在外部热交换器中被进一步冷却下来。对于高效率来说，这是关键。
级A和C的吸入行程当它们各自的活塞达到底死点时结束，如图1中所示。同时，级B和D的活塞达到顶死点以结束它们的压缩/传递。相位现在被颠倒，即级A和C开始压缩/传递行程而级B和D将开始吸入行程。先前打开的所有阀被关闭并且先前关闭的那些阀被打开。在活塞A.1.3a和A.1.3c向上平移时，模块A.3a和A.3c的气体含有物被压缩并且被分别传递到模块A.3b和A.3d中，而活塞A.1.3b和A.1.3d下降。当活塞A.1.3a和A.1.3c达到它们的顶死点时，行程结束，系统回到初始位置并且新循环可开始。
马达工作模式
系统以类似于压缩模式的方式以马达模式工作，但具有相反的空气流和旋转方向。马达工作过程存在于从箱压力(pd)到大气(主吸入Ea)压力(p0)的顺序的级上的一系列吸入/膨胀-排出循环。在这个模式中，阀A.4.3通过其命令(未示出)被迫进入“打开”位置一段时间以允许气体流出箱。
每个循环持续曲轴A.1.1的一圈并且两个连续的级也以相反的相位工作。膨胀过程存在于将气体从一个级的室传递到较大容积的下一个级；因此，给定的压缩/膨胀模块的气体排出和液体吸入阀与较大容量的后续模块的气体吸入和液体排出阀同相地工作。
在吸入/膨胀行程期间，以与压缩类似的方式执行热交换过程；热的流出液体通过热交换器的管的薄壁再次加热流入且膨胀的气体，以便将其维持在几乎恒定的温度。该液体将在外部热交换器中被进一步再次加热。对于高的膨胀效率来说，这是关键。
级的可变构造
多级体系允许以高的效率达到高的压力水平；然而，只有当所有级以它们的最佳压缩比被使用时，工作是最佳的；然而，情况经常不是这样，因为在压缩机和马达工作期间箱压力将变化。在所有的级具有相等压缩比Cr的情况下，只有当箱压力“pd”大于“Cr(n-1)p0”时，在压缩以及膨胀期间“n”级的顺序使用将是高效率的。否则，第“n”级将仅仅用作传递级并且气体当进入箱时将膨胀。
因此，有意义的是，使串联的级的数量适应箱压力。这是主要由数个3通路2位置分配阀A.4.1b到A.4.1d和A.4.2a到A.4.2d组成的多级气体方向控制单元A.4的作用。通过根据箱中的压力水平适当控制这些阀，可以将系统构造成“级的可变构造”，即，使在主端口Ea和Sa之间串联工作的压缩/膨胀模块的数量适应箱中的压力水平，并且因此优化系统的工作。对于如图1中示出的4级系统，以下构造是可能的：
4通道1级，这时箱压力低于水平“Cr.p0”：所有的阀A.4.1b到A.4.1d和A.4.2a到A.4.2c放置在“位置2”并且如图1中所示保留阀A.4.2d；因此，所有模块并联在空气回路上，这导致较高的空气流率。
2通道2级，这时箱压力在水平“Cr.p0”和水平“Cr2.p0”之间：阀A.4.1c和A.4.2b放置在“位置2”并且如图1中所示保留其它阀。模块A.3a和A.3b与模块A.3c和A.3d一样串联连接，并且两对模块并联在空气回路上以形成“2通道2级”构造。
1通道3级，这时箱压力在水平“Cr.p0”和水平“Cr3.p0”之间：在这种情况下，通过将阀A.4.1d和A.4.2b放置在“位置2”而停用模块A.3d，这将把两个气体端口连接到吸入线路。阀(A.4.2c)也切换到“位置2”并且如图1中所示保留其它阀。如前所述，由于在半圈期间将存在两个主动级A和C并且在另一半圈期间仅存在一个级B，这种奇数级可能在曲轴上产生无规律扭矩。在这个压力范围内使用4级构造将不能解决问题，因为如前所述模块A.3d将仅仅用作传递级。直到压力水平“Cr3.p0”，2级构造可能是优选的。
1通道4级，这时箱压力大于“Cr3.p0”。如图1中所示保留所有阀，因此所有模块串联连接在气体回路上以形成1通道4级构造。这是适于高压工作的该机器的标准构造。
可变构造允许压缩空气箱的全部含有物的优化利用或空箱的优化填充。但实际上，对于给定应用，存在最小压力，在该最小压力下，产生的动力变得无用。
空闲(空程)状态：多级气体方向控制单元A.4也允许在不执行气体压缩/膨胀的空闲或备用的状态下运行系统。这通过将所有阀A.4.1b到A.4.1d和A.4.2a到A.4.2d放置在“位置2”并且通过将阀A.4.4放置在“打开位置”而实现。因此，压缩膨胀模块的所有气体吸入/排出阀连接到低压吸入/排出端口Ea并且不能实现压缩/膨胀。
主要优点
与现有技术气动到机械能转换系统相比，所提出的机器提供许多技术改进；下面列出几个技术改进：
·集成在压缩/膨胀室中的简单且高效率的热交换器。这由于其使用很薄中空通道的特殊设计而实现，该很薄中空通道允许：
Figure GPA00001103840700151
空气和活性液体的较好隔离，这在非隔离界面的情况下限制仅在水平分离表面上扩散的风险。
Figure GPA00001103840700152
用于压缩/膨胀室内的液体的流入和流出的单个通路，这避免在膨胀期间使用外部再循环泵(如Rufer & al.在PCT/IB2007/051736中提出的)，并且在两种流体之间提供永久的热交换。
Figure GPA00001103840700153
与这些金属中空通道相关的较高热容量，这改善热交换的质量。
·实施在单个实施例中的简单且紧凑的动力转换布局。用于多级发动机的最简单的布局是如图9a中的透视图中示出的竖直直列式构造。这种布局是简单可升级的并且发动机的总尺寸将取决于其功率范围。也可以预想如一些内燃机(ICE)中的“V”构造，如图9b所示。这种构造将改善系统功率密度并且使它适合可移动应用。
·阀的简单且自动的控制。如在ICE中那样，向曲轴提供的或曲轴产生的机械能的一部分用于同步操作空气和液体阀。这个可能性大大减小诸如电子阀的所需辅助装置的数量，并且为系统提供更多自主性。
主要限制
根据本发明的机器的效率很大程度上取决于在压缩/膨胀室内的压缩/膨胀过程期间空气和液体之间的热传递的质量。给定涉及的各种元件的热时间常数，高质量的热传递将需要至少一定最小量的时间。
在给出的构造中，压缩/膨胀过程将仅持续曲轴的半圈。例如，对于3000rpm的旋转速度，这个过程将仅持续10ms，根据管状热交换器的设计，这可能是相当短的。因此，给出的机器的最佳速度位于较低的速度范围，该速度范围可能不符合一些电机器或应用的最佳速度范围。
通过使用诸如具有高速度比的机械齿轮箱的速度适配器可以规避这个限制，但齿轮箱将增加系统的质量和体积。以下段落中给出的第二创造性系统(系统2)提供解决这个问题的更好的解决方案。
第二创造性系统(系统2)的构造
如图10中示出的，根据本发明的第二系统由6个主要部分组成。在图中，“p”代表压力；“d”代表排量；“V”代表有用容积并且“Cr”代表压缩比。如示出的，第二系统包括：
-具有集成的热交换器的多级液压气体压缩/膨胀单元B.3，用来将气动动力转换为液压动力和反之亦然。
-专用的多回路多排量液压马达/泵B.1，用来将液压动力转换为旋转轴的机械动力和反之亦然。
-多回路液体方向控制单元B.2，用来控制活性液体的流动方向。
-多级气体方向控制单元B.4，用来控制气体流动方向和压缩/膨胀模块的构造。
-低压强制通风外部热交换器B.5，用来将活性液体维持在周围温度。
-液体储存器B.6，用来存储和供应优选地为水或水乳化液的活性液体。
-液体过滤器B.7。
在图11中提供创造性系统2的详细示意图，它提供了前述主要部分的设计变型。
多级液压气体压缩/膨胀单元
压缩-膨胀单元几乎相同于系统1的压缩-膨胀单元，除了由于分别在外部方向控制单元B.2和B.4中执行液体和气体流动的控制因此压缩/膨胀模块B.3.1a到B.3.1d的液体和气体端口不受控制。然而，阀控制的气体端口可以集成在这些模块中并且如系统1中那样机械地工作或电子机械地工作。可任选的液体端口设置在压缩/膨胀模块的底部，由阀B.3.2a到B.3.2d控制并且将允许从底部更容易地清空压缩/膨胀室。
多回路多排量液压马达/泵
这个装置是由安装在公共轴上的具有不同排量但具有相同功率的数个马达/泵B.1a到B.1d组成的专用液压机器。每个级将活性液体的交替的流入/流出转变为轴的旋转运动并且反之亦然。当沿相同方向旋转时，这些级无差别地以马达或以泵模式工作；因此，它们应当能够在吸入和排出端口上处理相同的压力。此外，它们应当具有允许多回路组装的“交叉”轴。如轴向活塞技术的液压机器的一些技术允许这种设计。不同类型的联合也是可能的。图15示出分开式构造，其中与具有2端部轴的发电机联合地使用两个2回路机器，该分开式构造提供许多优点：2回路机器应当比4回路机器更容易建造。此外，这种构造允许优化选择适于用于低压侧B.11的“低压/高流率”的技术和适于用于高压侧B.12的“高压/底流率”的技术。
多回路液体方向控制单元
多回路液体方向控制单元B.2由用来控制液体流的方向的数个方向控制模块组成。每个模块允许马达/泵的每个端口连接到对应压缩/膨胀模块或连接到主液体吸入端口Ew或再连接到主液体排出端口Sw。
在图11中提供液体方向控制单元的变型，其中每个模块包括4通路3位置方向阀和两个止回阀。在图14中给出液体方向控制模块的另一变型，该另一变型主要使用数个液控止回阀(pilot operated checkvalve)。允许实现相同功能的液体方向控制单元的其它更复杂或更简单的设计是可能的。
多级气体方向控制单元
多级气体方向控制单元B.4由用来控制气体流动方向的数个方向阀组成。每个级允许对应压缩/膨胀模块的空气端口连接到下一个模块(在左边或在右边)或连接到主低压气体端口Ea或再连接到主排出端口Sa。
在图11中提供气体方向控制单元的变型，其中每个模块包括三个3通路2位置方向阀，这些方向阀允许压缩/膨胀单元以类似于用于系统1的级的可变构造的方式工作。在图13中提供气体方向控制单元的更简单的变型，该变型允许压缩/膨胀单元的所有模块仅仅串联地工作。在图12中给出气体方向控制单元的另一简单变型，由于止回阀将允许气体的仅仅1通路流动，因此该变型允许压缩/膨胀单元的所有模块仅仅串联地且仅仅以压缩模式工作。
两种创造性系统的对比
两种系统之间的一个主要差异是系统2的液压回路是打开的且连接到供应活性液体的公共低压储存器B.6。在这个系统中，由于液压马达/泵直接连接到压缩/膨胀单元，因此液压动力转换紧接地在压缩/膨胀过程之前或之后；因此，活性液体跨越马达/泵而处于低压并且可以借助经典低压空气液体散热器来实现与周围环境的热交换。在系统1中，与周围环境的热交换紧接地在压缩/膨胀过程之前或之后；因此，用于活性液体的交换器的路径必须能够应付高压。
另一重要差异是，在系统1中，压缩/膨胀过程持续液压马达/泵的半圈，因此，液压马达/泵的级的排量必须等于压缩/膨胀模块的有用容积，这导致重要的功能和构造限制。然而，在系统2中，压缩/膨胀模块的有用容积是水力学的级的排量的时间积分，这在设计该系统中提供了补充自由度并且允许以与其它系统的速度相容的高得多的速度运行马达/泵。
工作原理
第二创造性系统以类似于第一系统的方式工作，主要差异是活性液体的路径。流入压缩/膨胀模块的任何液体来自液体箱B.6并且在马达/泵的相应级中被泵送。流出压缩/膨胀模块的任何液体通过对应的管道系统流向热交换器B.5并且被马达/泵的对应级和液体方向模块泵送。
以马达模式以及以压缩机模式的工作次序与用于系统1的工作次序相同。
主要应用领域
本发明主要意图生产高压气体(特别地为空气)并且使用其势能，用于动力传输和能量存储的目的。本发明的一个潜在应用将是为工业应用或为如潜水和灭火的医疗和呼吸目的生产压缩空气。另一潜在应用是气动能量存储(或无燃料压缩空气能量存储)，用于可再生能源支持。与发电机和电力电子转换器联合，它可用于规避诸如太阳能或风能的一些可再生能源的间歇性。
最后，所提出的发动机可以如任何经典压缩机那样将任何气体调节到高压但具有高的效率。取决于应用，气体处理(或净化)装置将是必要的。
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[4]Rufer and Al；Hydro-Pneumatic Storage System；PCT/IB2007/051736.

Claims (19)

1.一种多级液压系统，该多级液压系统通过执行气体的连续的准等温膨胀/压缩，当沿一个方向旋转轴时，用来将加压气体的势能转换为机械功，并且当沿相反方向或沿相同方向旋转所述轴时，用来从旋转轴的机械功产生压缩气体，其中所述系统包括：
由数个压缩/膨胀模块组成的多级液压气体压缩/膨胀单元，该压缩/膨胀模块的每一个具有不同容积的压缩/膨胀室，每个模块集成内部气体/液体分离热交换器，并且布置成通过该气体的准等温压缩/膨胀将压力动力转换为活性液体的液压动力，并且反之亦然；
位于该压缩/膨胀单元外部的外部热交换器，该外部热交换器用来使已经在该压缩/膨胀单元中通过气体压缩/膨胀被加热/冷却的活性液体进行外部循环，并且布置成通过与周围空气的热传递使该外部循环的活性液体达到大体上恒定的温度；和
具有公共驱动/从动可旋转轴的可逆多回路多排量液压马达/泵，所述液压马达/泵布置成将液压动力转换为所述可旋转轴的机械动力并且反之亦然，该液压马达/泵具有对应于该压缩/膨胀单元的压缩/膨胀模块的数个回路，每个所述回路具有不同的排量并且连接到对应排量或容积的压缩/膨胀模块。
2.根据权利要求1的系统，其中每个压缩/膨胀模块是外壳，该外壳在顶部提供通过两个阀控制的液体端口可进入的液体分配室，并且在底部提供通过两个阀控制的气体端口可进入的压缩/膨胀室，取决于所述系统作为压缩机或作为马达的工作模式，所述端口的每一个可以用作吸入端口或用作排出端口。
3.根据权利要求2的系统，其中所述多级压缩/膨胀单元的所有模块的所述气体端口和液体端口具有可由公共凸轮轴机械地操作的阀。
4.根据权利要求2或3的系统，其中每个所述压缩/膨胀室集成内部热交换器，该内部热交换器设计成在所述压缩/膨胀过程期间在所述气体和所述活性液体之间实现快速且高效率的热传递；每个内部热交换器包括头液体分配板，大量均匀分布的薄管或中空通道在它们的顶端固定在该头液体分配板中，并且在它们的底端由薄的多孔保持板保持在一起，该多孔保持板允许流体在所述管或中空通道之间流动。
5.根据权利要求4的系统，其中所述内部热交换器的所述液体分配板将所述压缩/膨胀室与液体分配室分离，并且提供容纳气体歧管的中心隔离通道，该气体歧管使气体端口通过所述液体分配室延伸进入所述压缩/膨胀室。
6.根据权利要求4或5的系统，其中所述内部热交换器配备有薄的可移动板，该薄的可移动板分离活性流体、气体和液体，以避免气体扩散到液体中，同时允许所述压缩/膨胀和热交换过程发生，所述可移动板以可移动的方式安装在所述薄管或中空通道上并且能够由流体沿所述热交换管或通道向上和向下驱动。
7.根据权利要求1的系统，包括外部多级多回路热交换器，该外部多级多回路热交换器是能够由高压液体和强制周围空气操作的直接散热器或能够由高压液体和低压液体以及低压液体和强制周围空气操作的间接散热器，该外部多级多回路热交换器与用来产生强制周围空气的由所述液压马达/泵的公共轴驱动的风扇联合。
8.根据权利要求7的系统，其中所述外部多级多回路热交换器的每一级包括两个液体路径，该两个液体路径在它们的顶端连接到所述压缩/膨胀单元的液体端口并且在它们的底端连接到所述液压马达/泵的两个无阀端口，该两个液体路径布置有液体阀以允许所述活性液体在封闭的回路中流动。
9.根据权利要求1的系统，其中所述液压马达/泵的每一级具有在汽缸中以给定位移可移动的活塞，并且所述系统的连续级之间的级间容积比和排量比是相同的并且等于级间压缩比，以便使模块的工作同步，并且在所述液压马达/泵的所有活塞上产生平衡的力。
10.根据权利要求1的系统，其中所述液压马达/泵为多级液压马达/泵，该多级液压马达/泵的每一级具有不同的排量，并且连续级之间的级间排量比等于所述多级压缩/膨胀单元的对应的级间容积比，以便使所述模块的工作同步。
11.根据权利要求1的系统，包括配备有由数个气体方向控制阀组成的多级气体方向控制单元的气体回路，该多级气体方向控制单元布置成在所述压缩/膨胀模块全部串联、全部并联或一些并联且一些串联地在所述气体回路上的情况下操作所述多级压缩/膨胀单元。
12.根据权利要求1的系统，其中所述压缩/膨胀单元的压缩/膨胀模块通过多级气体方向控制单元连接；所述液压马达/泵的每个回路通过多回路液体方向控制单元连接到对应排量或容积的压缩/膨胀模块；并且包括与液体存储器联合的单个外部低压强制通风热交换器。
13.根据权利要求1的系统，包括配备有由数个液压方向控制模块组成的多回路液体方向控制单元的液压回路，每一个模块布置成通过将所述回路的吸入端口和排出端口连接到对应的压缩/膨胀模块或连接到所述热交换器或连接到液体存储器，而以马达的模式或以泵的模式操作所述多回路液压马达/泵的回路。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述加压气体是空气。
15.一种在根据任何一项前述权利要求的系统中，通过执行一连串变换用来将加压气体的势能转换为旋转轴的机械功的方法，包括以下步骤：
在多级液压气体膨胀单元中，通过从该单元的一个级的室将所述气体传递到最初充满液体的下一个级的较大的室中以便逐出所述液体，从而膨胀加压气体，同时被逐出较大的室的液体和被泵送到较小的室中的液体通过集成在每个室中的内部流体分离气体/液体热交换器加热膨胀的气体，以便执行基本上等温的膨胀；
通过外部热交换器加热流出和流入所述每个室的并且已经被所述膨胀的气体冷却的液体，以便将所述液体维持在周围温度；和
通过多回路多排量液压马达/泵的回路，将流出膨胀单元的所述较大的室的加压液体产生的液压动力进一步转换为机械动力，同时所述马达/泵的较小排量的另一回路使用产生的动力的一部分将液体泵送到所述较小的室中。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述加压气体是空气。
17.一种在根据前述权利要求1-14的任何一项的系统中，通过执行一连串变换用来由旋转轴的机械功压缩气体的方法，包括以下步骤：
借助多回路多排量液压马达/泵的回路，通过驱动液体将所述旋转轴的机械动力转换为液压动力；
通过喷射由多回路多排量液压马达/泵的回路的一个级驱动的液体，而通过迫使包含在多级液压气体压缩单元的一个级的室中的低压气体进入最初充满液体的下一个级的较小的室，压缩所述气体，同时通过所述马达/泵的较小排量的另一级清空所述较小的室，使得被逐出较小的室的液体和被泵送到较大的室中的液体通过集成在每个室中的内部流体分离气体/液体热交换器冷却压缩气体，从而执行基本上等温的压缩；和
通过外部热交换器进一步冷却流出和流入所述每个室的并且已经被压缩气体加热的液体，以便将所述液体维持在周围温度。
18.根据权利要求15或17的方法，其中涉及多级液压气体膨胀/压缩单元的两个级、多回路多排量液压马达/泵的两个回路和所述外部热交换器的所述一连串变换被重复数次，以便在级之间以相等的膨胀/压缩比执行多级膨胀/压缩过程。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述方法用于压缩空气。
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