CN101929355B - 液空动力机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种液空动力机。中轴(18)是被固定不能转动的。中轴(18)上安装有凸轮(8)、外接气源接头(4)、气体活接头(7)、单向超越离合器(8)、活动电接点(17)、液态气体活接头(21)。摇杆(9)与单向超越离合器(8)键连接可以顺时针单向转动，高压汽缸组(10)、低压汽缸组(11)的汽缸无杆端盖(附图4中：40)。固定在支架固定长螺杆(14)上，可以绕支架固定长螺杆(14)作小幅度摆动，汽缸活塞杆的顶端与摇杆(9)顶端活动连接，中间支撑板上装置有液氮泵(1)，高压压力容器(16)、低压压力容器(23)固定安装在下支架(15)上。
Description
所属技术领域
本发明专利涉及一种利用液态空气或液态氮气(下称：液空或液氮)产生动力的装置，一种能高效率利用液空或液氮汽化为压缩气体做功的动力装置。
目前，人们开发的二次能源主要有电能、氢能、压缩空气等。电能是利用电动机产生动力的能源，氢能是利用氢燃料电池产生电能继而产生动力的能源，压缩空气是利用气动元件和设备产生动力的能源。液空或液氮也是一种能源存储的介质，利用液空动力机使液空和液氮中的能量释放出来，这是不同于燃油动力设备、电动设备及气动设备的动力设备，在未来的环保低碳能源发展中，液空动力机是一种能源可再生环保价值极高的绿色动力设备。
背景技术
世界各国的相关机构和大学课题组都在研发液氮发动机，即利用液氮和液空产生动力的设备，但现在研制出的样机都还未达到实用水平，美国华盛顿大学研究组研制的液氮发动机用于汽车上做动力，日本也在开发液氮发动机应用于汽车，但结果均不理想，关键是液氮发动机所使用的液氮能效利用率不高，需要解决的主要问题之一是如何提高液空或液氮中的能量释放和解决液氮汽化时的结霜问题。在汽车的替代能源问题上，人们希望用液空或液氮部分的替代汽油，但目前的液氮发动机在利用液氮释放能量的问题上和处理方法上还存在一定的问题，本发明是采用不同的方式来解决液空或液氮产生动力问题，由于本液空动力机在方法上和结构上的不同，使液空或液氮的能量释放得以大幅度提高，本液空动力机利用液空或液氮产生的动力已接近和达到实用水平，为二次能源开辟一条新的途径。
发明内容
液空动力机的机构不同于现代的燃油发动机的结构，燃油发动机的机构是采用气缸、连杆、曲轴方式，即利用燃油燃烧产生的高温高压使活塞通过连杆带动曲轴转动，利用曲轴转动输出动力。
本发明专利中的液空动力机是利用单作用气缸、摇杆、单向超越离合器、单作用气缸的反作用力、及惯性转动体的运动方式和结构来产生动力的装置，产生的动力不是通过轴来输出，而是将轴固定以惯量转动体的转动来输出动力。
在液氮发动机的研制中，一般存在几个瓶颈问题。1：液空或液氮的汽化即向环境吸收热量的问题，往往是热交换器的热交换面结霜，使热交换器的换热功率下降，而不能满足热负荷要求。2：汽化后的压缩气体通过气马达工作，采用的是活塞、连杆、曲轴式，通过曲轴的转动来输出转动力矩，这种模式使压缩气体在气缸中不能很好的被利用产生高效动力输出。3：液氮发动机由于要达到一定的输出功率，要求曲轴有一定的转动速度，结果是气缸工作时的频率较快，而使气缸做功不能满足压缩气体工作特性要求而使工作效能下降。这些问题的存在使液氮发动机的研发工作未能取得突破。
本发明专利是通过另一种结构使上述的几个问题得到较好的解决。
1：将热交换器装载在一个转动体的外缘上，工作时热交换器本身在转动，使环境空气能主动流过热交换器形成一个冷热交换的循环，从而使热交换器的能效大大提高。由于液空或液氮在热交换器的封闭管道内温度很低使热交换器的管道外表面及翅片上有结霜出现，但热交换器是转动的，有离心力的作用，结霜容易被离心力摔掉，而使热交换器保持较好的热交换功能，使液空或液氮能很好的汽化为压缩空气。
2：由于采用了单作用气缸、摇杆、单向超越离合器及惯性转动体的结构，使气缸做功能最大效能的将压缩气体的能量释放出来并被惯量转动体吸收，这样使压缩气体的做功能量损耗很小，整体工作效能得到大幅度提高。
3：气缸的工作频率不高，符合压缩气体的工作特性要求，因为压缩气体的工作时，较慢的气缸工作频率会使工作的动力输出增大，随着工作频率的加快而动力输出减少。该液空动力机是采用较慢的工作频率，符合压缩气体工作特性要求，这存在转动体转动速度较慢的问题，但由于该发动机不是通过中轴进行动力输出，而是转动体实现动力输出，而转动体的力矩和主传动轮直径均较大，通过大比例的传动达到有效动力输出。以此让压缩气体的工作特性处于最佳状态而使液空动力机整体能效提高。
本发明专利的有益效果是：利用液空或液氮为“燃料”通过特殊的机械结构设备，使液空或液氮很好的汽化产生压缩气体，并能很好的利用单作用气缸的工作使压缩气体产生较好的动力输出效果，最终使液空动力机有一个高效能的动力输出。
附图说明
下面结合附图和实例对本发明专利进一步说明
附图1是液空动力机的主视图
附图2是液空动力机的上视图
附图3是液空动力机的气路图
附图4是低压气缸组气缸的结构图
附图1中：1.液氮泵、2.凸轮、3.上支架、4.外接气源接头、5.上支座、6.上支架轴承、7.气体活接头、8.单向超越离合器、9.摇杆、10.高压气缸组、11.低压气缸组、12.中间支撑板、13a.高压热交换器、13b.低压热交换器、14.支架固定长螺杆、15.下支架、16.六方型高压容器、17.活动电结点、18.中轴、19.主传动轮轴承、20.下支座、21.液态气体活接头、22.主传动轮、23.六方型低压容器、24.支架固定短螺杆。
附图2中：25.液态气体预热器、26.气弹簧、27.热交换器紧固件、28.电控系统。
附图3中：29.高压压力传感器、30.低压压力传感器、31.高压气缸电磁阀、32.液氮泵气缸电磁阀、33.低压气缸电磁阀、34.外置压力容器、35.外置液态气体容器。
附图4中：36.气缸有杆端盖、37.活塞杆、38.气缸套、39.活塞、40.气缸无缸端盖、41.活塞中心气门、42.活塞中心气门弹簧。
具体实施方式
附图1中：上支座(5)、下支座(20)是液空动力机的固定支座，从上端和下端固定中轴(18)，工作时中轴(18)是被固定不能转动的。上支架(3)通过上支架轴承(6)安装在中轴(18)上，下支架(15)固定在主传动轮(22)上，主传动轮(22)通过主传动轮轴承(19)安装在中轴上，支架固定短螺杆(24)和支架固定长螺杆(14)将下支架(15)、中间支撑板(12)、上支架(3)连接起来为一个可以转动的整体支架，中轴(18)上固定安装了凸轮(2)、外接气源接头(4)、气体活接头(7)、单向超越离合器(8)、活动电接点(17)、液态气体活接头(21)。摇杆(9)与单向超越离合器(8)键连接可以顺时针单向转动，高压气缸组(10)、低压气缸组(11)的气缸无杆端盖(附图4中：40)被安装在支架固定长螺杆(14)上，可以绕支架固定长螺杆(14)作小幅度摆动，气缸活塞杆(附图4中：37)的顶端与摇杆(9)顶端活动连接。中间支撑板(12)上安装有液氮泵(1)。六方型高压容器(16)、六方型低压容器(23)固定安装在下支架(15)上。
附图2中：液态气体预热器(25)被固定在中间支撑板(12)上，高压热交换器(13a)、低压热交换器(13b)用热交换器紧固件(27)与中间支撑板(12)相连接在整体支架的外缘上，气弹簧(26)一端固定在中间支撑板(12)上，一端与摇杆(9)相连接，电控系统(28)装置在中间固定板(12)上。
附图3中：外置液态气体容器(35)的液态气体通过液态气体活接头(21)与液氮泵(1)相连接，液氮泵气缸电磁阀(32)控制液氮泵(1)工作，液态气体经过液氮泵(1)压注进入液态气体预热器(25)预热，预热后的液态气体进入高压热交换器(13a)汽化为高压气体，当高压系统的气体压力超过设定值时，高压压力传感器(29)给出信号，控制液氮泵气缸电磁阀(32)停止工作，当高压系统的气体压力低于设定值时，压力传感器(29)给出信号，控制液氮气缸电磁阀(32)工作，使高压气体系统的压力保持在一定的范围内。为减少高压系统的压力波动，六方型高压容器(16)连接气路起到稳定系统压力的作用。高压气体通过高压气缸电磁阀(31)配气给高压气缸组(10)工作做功，高压气体做功后变为低压气体，低压气体进入低压热交换器(13b)，低压压力传感器(30)给出信号，决定低压气缸电磁阀(33)是否工作。低压系统压力不够时，高压系统继续工作，给低压系统补充低压压缩气体，当低压系统压力达到设定值时，低压气缸电磁阀(33)工作，低压气缸组(11)工作并排出气体进入液态气体预热器(25)给液态气体预热，气体经过液态气体预热器(25)后被排出进入大气环境。六方型低压容器(23)与外置压力容器(34)通过气体活接头(7)连通起到稳定低压系统压力的作用。气弹簧(26)与低压气体系统闭路相连接。
附图4中：气缸在做功时，活塞中心气门(41)将活塞(39)中心孔封闭，活塞杆(37)向左运动，由于气体膨胀做功，活塞(39)右端气腔内气体压力逐渐降低到活塞(39)左腔压力时，活塞中心气门(41)被活塞中心气门弹簧(42)顶开，此时活塞(39)做功完成，活塞杆(37)在外力的作用下往右运动时，气体通过活塞中心孔与气门(41)的开口处被排到活塞(39)左端。活塞运动到气缸无杆端盖(40)位置时，活塞中心气门(41)封闭活塞(39)中心孔，直到气缸下一次进气工作时，活塞(39)左腔的气体通过气缸有杆端盖(36)排出。
机械动力产生和输出的过程是：附图2中，低压气缸组(11)的气缸在气体进入气缸后，活塞杆(附图4中：37)推动力作用在摇杆(9)上，但摇杆(9)受单向超越离合器(附图1中：8)的限制作用不能转动，此时气缸受到反作用力作用在支架固定长螺杆(14)上，结果使整个支架顺时钟方向转动。主传动轮(附图1中：22)是与下支架(附图1中：15)固定连接的，所以气缸的做功便直接通过主传动轮(附图1中：22)输出动力。气缸组(11)的一次做功使惯量转动体转动力大约1/6周，在气缸组(11)的气缸停止做功后，由于惯量转动体吸收了气缸组(11)的做功能量，惯量转动体利用自身存储的动能继续对外做功，此时由于气弹簧(26)的作用力作用在摇杆(9)上，摇杆(9)的力又作用在气缸组(11)的气缸活塞杆(附图4中：37)上，结果使气缸活塞杆(附图4中：37)回位，完成气缸做功的周期。
高压气缸组(图1中：10)的做功与低压气缸组工作原理是一样的，受电控系统(附图2中：28)控制，有时高压气缸组(附图1中：10)单独工作，有时低压气缸组(附图1中：11)单独工作，有时高压气缸组(附图1中：10)与低压气缸组(1附图1中：1)同时工作，这是根据对外输出功率需要来决定。
Claims (2)
1.一种液空动力机，主要由高压单作用气缸组、低压单作用气缸组、热交换器、液氮泵、摇杆、单向超越离合器、支架、六方型高压容器、六方型低压容器、中轴、凸轮、主传动轮、气体活接头、液态气体活接头、气控系统、电控系统组成的一个机械、气动、电控一体机，其特征是：中轴是被外力固定不能转动的，凸轮、单向超越离合器是固定安装在中轴上，气体活接头、液态气体活接头、支架安装在中轴上可以绕中轴转动，高压单作用气缸组、低压单作用气缸组、热交换器、液氮泵、六方型高压容器、六方型低压容器、主传动轮、气控系统、电控系统安装在支架上均随支架转动，低温液态气体通过中轴上的液态气体活接头送入支架上，支架上的压缩气体通过中轴上的气体活接头与外部连接，由支架及支架上安装的部件的重量组成为一个惯量转动体，惯量转动体在工作中能够吸收和释放能量。
2.根据权利要求1所述的液空动力机，单作用气缸主要由有杆端盖、无杆端盖、活塞、密封圈、活塞中心气门、活塞中心气门弹簧、无杆端盖弹簧顶针、气缸套、活塞杆组成，气缸工作时，压缩气体从无杆端盖进入无杆腔，在压缩气体输入切断后，压缩气体靠膨胀做功，当有杆腔和无杆腔的气体压力接近时，活塞中心气门弹簧顶开气门，有杆腔和无杆腔气体压力趋于一致，在下一次气缸做功工作时，气体被排出气缸外，其特征是：气缸活塞中心设置一个气门孔和气门，活塞中心气门弹簧安装在活塞杆中，当活塞二端的压力接近时，气门开启，压缩气体膨胀做功后的低压气体是通过活塞中心气门进入有杆腔排出气缸的。
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