CN102449303B - 加压气体动力压缩机和包括该加压气体动力压缩机的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供由或者为蒸汽或者为其它工作流体的加压气体提供动力的压缩机、以及用于利用这种压缩机提取功的系统。加压气体可包括气态的加热的工作流体，以移动输入回路中的活塞，输入回路中的活塞又移动输出回路中的活塞，由此压缩可压缩流体或移动不可压缩流体。该压缩机的目的是将废热、由生物质或其它燃料的燃烧产生的热、或源于太阳能聚集的热转换成有用功，该有用功或者构造成产生压缩空气或泵送水，这样可替代否则用于该目的的电力，或者构造成通过液压回路直接生成电力或动力。用于提取功的系统通过由加压气体动力压缩机压缩或泵送的输出流体提取功。

Description

加压气体动力压缩机和包括该加压气体动力压缩机的系统
技术领域
本发明总体上涉及以加压气体为动力的设备的领域，比如蒸汽动力设备，更具体地本发明涉及加压气体动力压缩机和用于利用该加压气体动力压缩机提取功的系统。
背景技术
比如为蒸汽机的热机已长期用于将热能转换成机械输出。比如，例如如在1887年纽约的H.R.Worthington的“The WorthingtonSteam Pumping Engine：History of its Invention and Development”(卫盛顿蒸汽泵发动机：其发明和开发历史)中所描述的卫盛顿蒸汽泵发动机可采用用于泵送水的蒸汽驱动活塞。还已知用于利用蒸汽动力产生活塞的泵送动作的其它往复式发动机，例如如在1889年伦敦和纽约的P.R.Bjorling的“Practical Handbook on Direct-ActingPumping Engine and Steam Pump Construction”(关于直接作用泵送发动机和蒸汽泵结构的实用手册)中所述。这种泵一般经由通过从汽缸推出水的活塞的泵送作用泵送水，活塞由蒸汽驱动活塞驱动。但是，基于这些设计的往复式蒸汽泵往往笨重、低效且成本高，并且不适于执行除泵送液体以外的其它形式的作业。
另一类型的蒸汽机是蒸汽驱动的涡轮机，其可用于从过热蒸汽提取动力。但是，涡轮机一般需要在精确控制的条件下提供给涡轮机的干燥并且通常过热的蒸汽。这些约束条件限制了其例如在仅存在湿饱和蒸汽或蒸汽供应不规律的系统中的有用性。
近年来已开发出许多其它的蒸汽机，这些蒸汽机试图由湿饱和蒸汽有效地产生旋转运动。但是，在发电机用于有效地发电所需的转矩和转速的情况下，上述蒸汽机中的许多不太适于产生电力。
低压和中压饱和蒸汽的使用大大地受限于空间和水热。这些用途未能发挥这些蒸汽的全部潜能用于产生有用功率。例如，来自工业过程的余热一般用于加热目的，而非用于提供机械能或电能。
因此，需要一种能够从比如为湿饱和蒸汽的加压气体提取所需有用功的新式装置和系统。
近年来也已开发出由涡轮机组成的许多系统，涡轮机由低沸点(LBP)工作流体的蒸汽驱动(“有机兰金循环涡轮机”)。这些系统能够从相对低温的热源提取有用功。但是，它们易于受到与其它涡轮机相同的约束，因此，对于许多应用其投资和运营成本通常太高。
因此，还需要一种能够从相对低温的热源提取有用功的新式装置和系统，而没有与有机兰金循环涡轮机相关的成本和操作限制。
该背景技术信息提供用于揭示申请人认为与本发明可能相关的信息。不允许一定要使前述信息中的任意一条构成针对本发明的现有技术，或者也不应解释为前述信息中的任意一条构成针对本发明的现有技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种加压气体动力压缩机和包括该加压气体动力压缩机的系统。根据本发明的方面，提供了一种用于利用加压气体动力压缩机提取功的系统，所述系统包括：由加压气体提供动力的压缩机，所述压缩机包括输出回路，所述输出回路构造成在供给到所述输出回路的输出流体上压缩地操作；加压气体输入系统，所述加压气体输入系统构造成提供用于为所述压缩机提供动力的所述加压气体；排放系统，所述排放系统构造成从所述压缩机输出废气；功提取系统，所述功提取系统构造成至少部分地经由所述输出流体从所述压缩机提取功。
根据本发明的另一个方面，提供一种由加压气体提供动力的压缩机，所述压缩机包括：输入回路，所述输入回路构造成引导所述加压气体通过两个或多个输入活塞缸体组件，其中，每个输入活塞缸体组件构造成排出使用后的废气；输出回路，所述输出回路包括两个或多个输出活塞缸体组件，每个输出活塞缸体组件包括用于流体进入的进口阀和用于压缩流体的离开的输出阀；传递系统，所述传递系统构造成将在所述输入活塞缸体组件中产生的力传递到所述输出活塞缸体组件上；返回系统，所述返回系统构造成促成所述输入活塞缸体组件中的至少第一活塞缸体组件的跟随其动力冲程的返回冲程；正时系统，所述正时系统构造成控制所述加压气体从所述输入活塞缸体组件的输入和排出；以及分配系统，所述分配系统操作性地联接到所述正时系统、所述加压输入系统、和所述输入回路上，所述分配系统构造成协作地向所述输入活塞缸体组件提供加压气体。
附图说明
图1示出根据本发明的一个实施例的加压气体动力压缩机的截面。
图2示出根据本发明的实施例的图1的加压气体动力压缩机的活塞的等轴截面。
图3根据本发明的实施例的装配有集成的双向止回阀的输出缸体的截面。
图4示出根据本发明的实施例的由曲轴、齿轮箱和图1的加压气体动力压缩机的相关元件组成的正时系统的等轴截面。
图5示出根据本发明的实施例的图1的加压气体动力压缩机的分配系统的阀体的详细的、局部分解的等轴视图。
图6示出根据本发明的实施例的加压气体动力压缩机的分配系统的组装的阀体和阀体壳体的视图。
图7示出根据本发明的实施例的加压气体动力压缩机的分配系统的阀体壳体的第二密封组件。
图8示出根据本发明的实施例的用于利用加压气体动力压缩机从加压气体提取功的系统。
图9A示出根据本发明的实施例的用于利用残余蒸汽驱动加压气体动力压缩机的构造。
图9B示出根据本发明的实施例的用于利用由一个或更多个热源产生的蒸汽驱动加压气体动力压缩机的构造。
图10A示出根据本发明的实施例的用于利用加压气体动力压缩机产生压缩空气的构造。
图10B示出根据本发明的实施例的用于利用加压气体动力压缩机产生动力的构造。
图10C示出根据本发明的实施例的用于利用加压气体动力压缩机产生电力的构造。
图11示出根据本发明的实施例的用于利用加压气体动力压缩机由太阳能产生电力的系统。
图12示出根据本发明的实施例的用于利用加压气体动力压缩机由生物质燃烧提取电力的系统。
图13示出根据本发明的实施例的用于利用加压气体动力压缩机由太阳能、生物质燃烧或其组合提取电力的系统。
图14示出根据本发明的实施例的用于利用加压气体动力压缩机由工业热源提取电力的系统。
图15示出根据本发明的实施例的用于利用加压气体动力压缩机由工业热源提取动力的系统。
图16示出根据本发明的实施例的用于利用加压气体动力压缩机由残余蒸汽产生压缩空气的系统。
图17示出根据本发明的实施例的用于利用加压气体动力压缩机用太阳能泵送水的系统。
图18示出根据本发明的实施例的具有四个活塞缸体组件的加压气体动力压缩机。
图19示出根据本发明的实施例的活塞缸体组件，其中活塞缸体组件的轴线偏离曲轴的轴线。
具体实施方式
定义
术语“加压气体”用于定义具有大于大气压力的压力的气体，加压气体随后可能冷凝成液态或可能不冷凝成液态。
术语“废气”用于定义已经损失其一些或全部压力并且可能部分地转变成液态或可能没有部分地转变成液态的加压气体。
术语“冷凝物”用于定义已转变成液态的废气的一部分。
术语“工作流体”用于定义当加热时由液态转变成气态并且当处于气态时可向缸体内的活塞上施加压力的流体。
术语“压缩”用于定义压力向流体的施加。就比如为空气的可压缩流体而言，该压力导致压缩，如通常所理解的。就比如为液压流体的不可压缩流体而言，该压力导致所述流体在比如为液压回路的限制通道内的位移。
术语“压缩流体”用于定义已通过缸体内的活塞对其施加压力的可压缩或不可压缩流体。
如在此所用，术语“大约”指的是从标称值变化+/-10％。可以理解，这种变化通常包括在在此提供的给定值内，不管是否特别地指出。
除非另行定义，否则在此使用的所有技术和科学术语具有由本发明所属技术领域的普通技术人员所通常理解的相同意义。
本发明的方面提供一种利用加压气体的压力的装置，该装置可包括处于气态的加热的工作流体，以使输入回路中的活塞移位，接着使输出回路中的活塞移位，从而压缩可压缩流体或使不可压缩流体移位。
本发明的方面提供一种由加压气体提供动力的压缩机。压缩机包括构造成引导加压气体通过两个或多个输入活塞缸体组件的输入回路，其中，每个输入活塞缸体组件构造成排出使用后的废气。压缩机还包括输出回路，输出回路包括两个或多个输出活塞缸体组件，每个输出活塞缸体组件包括允许压缩流体离开的进口阀和输出阀。在一些实施例中，输入活塞缸体组件与输出活塞缸体组件之间的尺寸比选择为在输出活塞缸体组件中的接收流体上提供所需的压力。压缩机还包括构造成使活塞在动力冲程之后返回到其起始位置的返回系统。例如，每个输入活塞可通过返回系统的作用返回到起始位置。返回系统也可构造成使输出活塞返回到其起始位置。例如，返回系统可构造成将输入活塞和输出活塞返回到其相应的起始位置，其中，输入活塞和输出活塞例如经由传递系统联接在一起。压缩机还包括传递系统和正时系统，传递系统构造成传递在装配到输出活塞缸体组件上的输入活塞缸体中产生的力，正时系统构造成控制加压气体从输入活塞缸体组件的输入和排出。压缩机还包括操作性地联接到正时系统、加压气体储存器和输入活塞缸体组件上的分配系统，分配系统构造成协作地向输入活塞缸体组件提供加压气体。
在一些实施例中，输出回路中的压力至少部分地取决于加压气体的压力和输入缸体与输出缸体的直径的平方之间的比值，减去摩擦损失。根据输入缸体与输出缸体的相对直径，输出压力可等于、小于或大于加压气体的压力。
在一些实施例中，加压气体动力压缩机在略微倾向的水平位置中操作，允许冷凝物在每个返回冲程的止点处从输入缸体通过蒸汽疏水器排出。
根据本发明的实施例，加压气体动力压缩机的应用将通过水蒸汽或其它加压蒸气或气体生成压缩空气。该加压蒸气或气体可由残余低等级蒸汽组成，或者可至少部分地利用来自包括废热、生物质燃烧、太阳能集中器等等的各种热源的热产生。
根据本发明的实施例，加压气体动力压缩机的应用将便于将例如由低等级蒸汽传送的工业废热转化成有用功，例如通过利用包含在蒸汽中的能量以在压缩空气罐中建立压力。储存的压缩空气可被利用，例如用于供给工业压缩空气系统。另外，在一些实施例中，有用功形式的低等级蒸汽流的提取可允许电力负载从现有压缩机转移，这可提高工厂的能量效率并降低能源成本。在一些实施例中，来自加压气体动力压缩机的排气可用于加热或其它目的。低等级蒸汽一般用于加热目的，但其在根据本发明的实施例构造的压缩机中的在先使用可仅略微地减少其热值，因为潜热一般仅在蒸汽在热交换器或冷凝器中冷凝成水时才释放。
根据本发明的实施例，加压气体动力压缩机可构造成用于通过液压回路或通过其它方式提供用于将热转换成电力或其它有用形式的动力的低成本方案。此外，本发明的压缩机的实施例可具有紧凑和模块化的配置，这可使其适用于各种应用，并且另外，其简洁性可保持低的维护成本。
本发明的方面提供一种用于利用加压气体动力压缩机提取功的系统。该系统包括加压气体动力压缩机，加压气体动力压缩机包括输出回路，该输出回路构造成在供给到输出回路的输出流体上压缩地操作。该系统还包括构造成提供用于为加压气体动力压缩机提供动力的加压气体的加压气体输入系统。该系统还包括构造成从加压气体动力压缩机输出废气的排放系统。该系统还包括构造成至少部分地经由所述输出流体从加压气体动力压缩机提取功的功提取系统。
图1中示出根据本发明的一方面的加压气体动力压缩机的实施例。压缩机包括安装在框架(51)的一侧上的两个或多个输入活塞缸体组件、安装在同一框架(51)的另一侧上的相似数量的输出活塞缸体组件、连接每个输入活塞组件与相应的输出活塞组件的传递杆(15)、构造成使每个活塞在其动力冲程之后返回其起始位置的返回系统、将输入缸体交替地连接到加压气体源和排放系统以便例如将废气排出到大气或者低压储存器(未示出)等的分配系统(23)、以及正时系统，该正时系统构造成例如通过借助于正时系统正时工作流体的吸入以及排出而促进分配系统与输入活塞缸体组件的操作同步化。对这些组件中的每一个描述如下。
活塞缸体组件
特别地关注图1中所示的实施例，当分配系统(23)允许加压气体进入输入缸体(19)的内部空腔时，加压气体将压力施加到滑动地安装在输入缸体(19)内的相应的输入活塞(18)上，从而趋于使活塞开始运动。输入活塞又将压力施加到输入活塞如下所述经由传递杆(15)机械地联接到其上的活塞基部(14)上，活塞基部(14)又将压力施加到活塞基部(14)如下所述经由杆端部(11)和轴(12)机械地联接到其上的输出活塞(10)上。输出活塞接着将压力施加到包含在输出缸体(8)内的可压缩或不可压缩流体上，产生压力。然后，包含在输出缸体(8)内的流体可在压力下被引导以做功、储存能量等等。例如，该流体可被引导通过止回阀(4)，进而被引导至储存器或功提取系统或其它机器或设备。
每个输入活塞缸体组件包括中空输入缸体(19)、缸体盖(22)和活塞(18)，活塞(18)滑动地接合缸体(19)的内壁并与之形成密封。输入活塞缸体组件还可包括用于每个活塞的一个或更多个密封环(24)。缸体盖(22)可包括通过比如为螺栓联结的机械装置固定到缸体上的圆形帽(20)。帽(20)可包括允许缸体的内部与分配系统以及蒸汽疏水器(未示出)之间的连接的端口(21)，用于排空冷凝物。
在一些实施例中，加压气体向输入缸体内的流动对应于所述缸体的动力冲程，其中，加压气体倾向于通过活塞的运动扩大实质上由缸体(19)的内壁、缸体盖(22)和活塞(18)限定的缸体空腔的容积。动力冲程一般后面为返回冲程，其中，在返回冲程中缸体空腔的容积通过活塞的运动收缩，缸体空腔内的加压气体经由输出端口排出。
图2中更详细地示出在一些实施例中能够在不应用润滑膜的情况下便于活塞缸体组件的操作的密封环组件(24)。每个密封环组件(24)可包括设置在机械加工到活塞中的深槽(27)内的O形环(26)，O形环(26)将向外的压力施加到由比如为玻璃化的PTFE的低摩擦材料制成的柱形环(28)上。该柱形环安置在机械加工到活塞中的更宽且更浅的槽内，在一些实施例中，在柱形环的内表面上进行机械加工以形成在其中装配O形环的槽。
还如图1所示，每个输出活塞缸体组件可包括缸体盖(7)、缸体(8)、固定在隔套法兰(58)上的缸体法兰(57)、活塞(10)、活塞基部(14)、隔套(13)、比如为螺纹轴的轴(12)上的杆端部(11)以及与输入活塞的密封环组件相似的一个或更多个密封环组件(9)。在一些实施例中，这些密封环组件(9)中的至少一个可由腈类或其它柔性材料制成的成形的杆/活塞密封件替代。活塞基部通过杆(15)连接到输入活塞上。输出缸体盖(7)包括通过比如为螺栓联接的机械装置附装到缸体上的帽(5)。输出缸体盖(7)包括装配有止回阀的输出端口(4)和装备有另一个止回阀(未示出)的进气端口。输入端口可操作性地联接到流体源上，比如液压回路、进气装置或类似装置。输出端口可操作性地联接到储存器系统、储存装置、液压回路、液压或液气蓄能器、液压马达或类似装置上。通过输出端口传输的流体因此可被利用，例如以作有用功。
在一些实施例中，操作性地联接到输出缸体上的一个或更多个止回阀可由集成的双向止回阀替代，如图3所示。所示的集成双向止回阀包括内部法兰(49)和外部法兰(50)，内部法兰(49)可滑动地联接到输出缸体(8)上，外部法兰(50)可滑动地联接到内部法兰(49)上。集成的双向止回阀可便于例如在输出缸体(8)由比如为外界空气或水的流体包围时通过洞或孔的系统基本上无阻碍地填充和清空输出缸体(8)。集成的双向止回阀还可便于加压流体从输出缸体的排出，同时大幅度地减少或消除由传统止回阀的使用引起的“死角”。
对图3中示出的集成的双向止回阀进行如下描述。内部法兰(49)装配在输出缸体(8)的顶部上，并与其滑动地接合。外部法兰(50)装配在内部法兰(49)的顶部上，并与其滑动地接合。内部法兰(49)在其侧面中包括一个或更多个孔(51)，使得上述孔(51)构造成当内部法兰滑动地运动到缩回位置时与输出缸体(8)中的类似的孔(52)对准。当对准时，孔(51)和孔(52)形成便于缸体(8)的内部与外界环境之间连通的通道，由此便于在返回冲程期间用流体填充缸体(8)，在随后的动力冲程期间压缩该流体。
在一些实施例中，内部法兰(49)可由附装到缸体法兰(57)上的杆(未示出)可滑动地支承，当法兰(49)在缸体(8)的顶部上来回滑动时其进一步至少支承内部法兰(49)。
在一些实施例中，在第一端部处联接到缸体法兰(57)并在第二端部处联接到内部法兰(49)上的一个或更多个压缩弹簧(55)可构造成将内部法兰(49)偏压在伸出位置中，在伸出位置中，只要所述缸体内的压力不小于大气压力，或者更一般地，当输出缸体内的压力没有较输出缸体外部的压力小预定量时，孔(51)不与孔(52)对准。
当内部法兰处于伸出位置时，内部法兰的端壁以与缸体(8)的端部间隔开的构造安置。当所述缸体内的压力下降到缸体外部的环境压力以下时，压差引起对内部法兰的、倾向于压缩缸体内的容积的力。该力可克服所述压缩弹簧的偏压力，由此使得内部法兰滑入缩回位置，因此对准孔(51)与孔(52)以形成通道，便于空气或其它流体在活塞(10)在缸体(8)内的返回冲程期间自由地流入输出缸体中。在一些实施例中，压缩弹簧(55)构造成只要外围流体中的压力没有比缸体(8)内的压力大预定量，就将内部法兰(49)偏压在伸出位置中。
在一些实施例中，外部法兰(50)可通过一个或更多个拉簧(56)连接到内部法兰(49)上。外部法兰(50)包括端口(53)，端口(53)用于便于流体在动力冲程期间在活塞(10)的压缩作用下经由比如软管或导管的通道流到操作性地联接到端口(53)上的储存器(未示出)。拉簧(56)构造成，只要缸体(8)内的压力没有比储存器和/或通道内压力大预定量，就偏压外部法兰(50)以接触内部法兰(49)并处于缩回位置；或者更一般地，拉簧(56)构造成，当构造成接收从输出缸体输出的流体的通道内的压力相对于输出缸体内的压力超过预定量时，将外部法兰偏压到其缩回位置中。当所述外部法兰处于缩回位置时，内部法兰(49)的端孔(54)被外部法兰(50)的一部分封挡。
例如，拉簧(56)可构造成具有预定大小的偏压力，偏压力的大小设定为与由于输出缸体(8)内部与连接到端口(53)的储存器和/或通道之间的流体压差引起的反向力对抗。当输出缸体(8)内的压力超过储存器和/或通道内的压力时，压差使得弹簧偏压力被克服，由此使得外部法兰(50)在内部法兰(49)的顶部上向前滑动，进入间隔开的构造，由此允许压缩空气通过形成在内部法兰中的端孔(54)流到外部法兰的空腔内。然后，压缩空气穿过端孔(54)和端口(53)，并因此流到储存器和/或通道。在输出活塞(10)的返回冲程上，当输出缸体内的压力小于或等于储存器内的压力时，将外部法兰连接到内部法兰上的弹簧(56)使得所述外部法兰缩回，由此密封端孔(54)，并基本上防止压缩空气从储存器回流到输出缸体。
在本发明的实施例中，图3中示出的双向集成止回阀可便于在动力冲程期间接近全部地排出所述输出缸体的内容物，与传统止回阀相比，导致效率提高。
在一些实施例中，可设置包括滑动地接合到缸体(8)上的内部法兰(49)的输入止回阀。在一些实施例中，可设置包括滑动地接合在缸体上的外部法兰(50)的输出止回阀。在一些实施例中，输入和输出止回阀可相互独立地设置。
在一些实施例中，输出活塞缸体组件包括与轴(12)一起形成的杆端部(11)，该轴例如通过围绕与活塞基部(14)的相应的带螺纹空腔接合的轴的螺纹操作性地联接到活塞基部(14)上，杆端部(11)操作性地联接到输出活塞(10)上。杆端部(11)装配在形成在活塞(10)中的空腔内，使得活塞与轴(12)之间的角度能够容忍预定量的对准误差，例如输入活塞缸体组件与输出活塞缸体组件之间的对准误差。旋转运动可包括围绕一个或更多个轴线的至少几度的旋转。杆端部(11)因此可便于在压缩机的操作期间缩小摩擦和/或磨损。
如图1所示，每个输出缸体可设置在行进穿过其中心的对称轴线上。在一些实施例中，活塞缸体组件的轴线偏离曲轴的轴线，使得当一个活塞到达其冲程的止点时，另一个活塞已经经过其冲程的止点并因此位于当加压气体被引入缸体内时运动的位置。如图19所示，在一些实施例中，活塞缸体组件的轴线与曲轴的轴线之间的偏置的使用具有以下效果，当第一缸体(1915)的第一活塞(1910)位于其动力冲程的止点时，第二缸体(1925)的第二活塞(1920)尚未到达其动力冲程的止点并因此仍然能够向曲轴(1930)提供力矩F(1935)，因此消除“死点”，否则假如机械运动由于加压气体的供给中断或其它原因——确切地，当两个活塞位于它们各自冲程的止点处时，该“死点”就会发生。
在一些实施例中，例如关于如图1所示的压缩机，构造成将在输入活塞缸体组件内产生的力传递到输出活塞上的传递系统包括刚性地联接在输入活塞与输出活塞之间的一系列杆(15)，如图1所示。在其它实施例中，传递系统还可包括传递杆、齿轮系统、传动带、传动轴、曲轴或类似部件。
返回系统
在本发明的实施例中，每个活塞在其动力冲程之后向其起始位置的返回至少部分地由曲轴组件(16)执行，多个活塞缸体组件通过杆端部附连到曲轴组件(16)上。例如，如图1所示，曲轴组件(16)联接到左输入活塞和右输入活塞上。左输入活塞可构造成基本上在右输入活塞执行其返回冲程的至少一部分的同一时期执行左输入活塞的动力冲程的至少一部分，反之亦然。来自活塞的动力冲程的力可被传递以引起曲轴组件(16)的旋转，曲轴组件(16)的旋转可接着被传递以施加力来执行或辅助执行另一个活塞的返回冲程。
在一些实施例中，返回系统还可包括其它元件，比如操作性地联接到曲轴(17)上的一个或更多个飞轮(59)，或者比如通过一个或更多个传动带或链操作性地联接的两个或多个曲轴，或类似元件。返回系统另外可采用其它机械装置以促进一个或更多个活塞的返回冲程。
正时系统
缸体的运动和分配系统的相对正时由包括曲轴组件(16)和齿轮箱(1)的正时系统控制，如图4所示。加压气体分配到每个输入缸体，废气和/或冷凝流体通过比如如根据本发明的实施例的图5中详细地示出的分配系统从每个输入缸体排出。正时系统可构造成提供关于输入活塞的位置的反馈，该反馈可用于分配系统通过以下方式的恰当的正时操作：比如通过当输入缸体(19)的输入活塞(18)位于或接近动力冲程的起点时打开加压工作流体源与输入缸体(19)的内部空腔之间的连通通道，以及通过当输入缸体(19)的输入活塞(18)位于或接近返回冲程的起点时打开输入缸体(19)的内部空腔与排放系统、储存器或周围环境等之间的连通通道。
在一些实施例中，正时系统包括曲轴(17)，曲轴(17)位于框架(51)内、并由连接到输入活塞上连杆(30和31)通过曲柄运动驱动。如图1所示，一个或更多个飞轮(59)可安装在曲轴(29)的一个或更多个端部上。在一些实施例中，通过杆端部(55)连接到曲轴(17)和输入活塞(18)上的所述连杆在其整个运动范围内都可完全地包含在压缩机的空腔内，比如包含在输入缸体(19)和隔套(13)的空腔内。比如，曲轴组件(16)因此可构造成在输入缸体(19)与隔套(13)的内部且在传递杆(15)之间运动。这种布置可利于输出活塞的冲程基本上等于输入活塞的冲程，即使输出活塞的直径更小。
在一些实施例中，正时系统可包括通过电气信号、机械信号或光信号等通讯地联接的一个或更多个传感器、和/或致动器，传感器比如为位置传感器，致动器比如为电控阀。例如，比如为机电传感器、光传感器或其它传感器的传感器可构造成感测压缩机的曲轴或联接于其上的比如为飞轮的元件的旋转位置。传感器还可构造成提供基于传感器的信号，由所述信号致动的电控阀可构造成基于所述信号操作。例如，电控阀可构造成当通讯地联接到电控阀上的传感器感测到曲轴位于第一范围的旋转位置时打开，并当传感器感测到曲轴位于第二范围的旋转位置时关闭。
根据以上所述，正时系统可根据曲轴的旋转位置直接或间接地致动。正时系统与分配系统协作以促进压缩机的操作。以下进一步说明正时系统和分配系统的协作。
分配系统
分配系统，例如根据本发明的实施例的图5、6和7中示出的分配系统，构造成与正时系统协同促进加压气体来往于输入缸体的循环。当活塞往返于其冲程时，正时系统的曲轴(17)通过连杆(30和31)的曲柄作用相应地在多个角位置之间旋转。操作性地联接到曲轴(17)上的第一齿轮(2)和与第一齿轮(2)接合的第二齿轮(3)也相应地在多个角位置之间旋转。第二齿轮(3)操作性地联接到阀组件(23)上，阀组件(23)构造成通过旋转作用操作以交替地建立每个输入缸体(19)的内部与比如为汽化的工作流体的压缩气体源之间的第一连通通道和每个输入缸体(19)的内部与用于接收废气的排放系统(未示出)之间的第二连通通道。在一些实施例中，可为每个活塞缸体组件设置单独的阀组件(23)。多个阀组件可由同一齿轮或由单独的齿轮驱动。
例如，在一些实施例中，活塞基本异相地操作，使得在第一位置中当第二活塞到达返回冲程的止点时第一活塞基本到达动力冲程的止点，并且在第二位置中当第二活塞到达动力冲程的止点时第一活塞基本到达返回冲程的止点。第一位置对应于曲轴、第一和第二齿轮以及阀组件的第一角位置。第二位置对应于曲轴、第一和第二齿轮以及阀组件的第二角位置。在一些实施例中，多个活塞可同相地、异相地或同相和异相组合地操作。
在一些实施例中，阀组件(23)构造成当通过曲轴和齿轮旋转到第一角位置时，密封将第一缸体(19)连接到压缩气体源的通路，并同时通过以下详细说明的机构打开将第一缸体(19)连接至低压出口的通路。在一些实施例中，分配系统构造成基本与此同时，密封将第二缸体连接到低压出口的通路，并打开将第二缸体连接到压缩气体源的通路，由此便于第二活塞的动力冲程的起动。
曲轴(17)构造成驱动齿轮箱(1)内的两个基本上相同的齿轮(2)中的一个；其中，另一个齿轮(3)驱动分配系统，分配系统包括旋转阀体(36)和阀体壳体(42)，图5中示出阀体(36)从阀体壳体(42)撤出。为了操作，阀体(36)插入阀体壳体(42)内，使得部分盘(35)基本定位在高压输入端口(33)与低压输出端口(38)之间。
如图5所示，阀体(36)包括轴(37)、盖(510)、部分盘(35)和盘形阀盖(41)，轴(37)操作性地联接到齿轮箱的从动齿轮(3)上并通过从动齿轮(3)转动，盖(510)连接到轴上并构造成装配在阀体壳体(42)的开口内以便基本上盖住所述开口，部分盘(35)连接到轴(37)上并构造成装配在阀体壳体(42)内，盘形阀盖(41)在其表面上具有部分切除部。部分盘沿着或靠近其第一表面设置有盖(510)，并沿着或靠近其与第一表面相对的第二表面设置有阀盖(41)。部分盘(35)没有充满盖(58)与阀盖(41)之间的柱形区域，而是限定有间隙(43)，该间隙与阀盖(41)的部分切除部连通以形成通道。当部分盘内的间隙(43)通过由从动齿轮(3)的作用使阀体(36)旋转而暴露于高压(输入)端口(33)或低压(输出)端口(38)时，气体可流过所述通道。
阀体(36)在阀体壳体(42)内旋转，同时由大体C形的密封件(39)形成的基本气密密封围绕部分盘(35)形成，密封件(39)由低摩擦材料制成，其由两个O形环(40)压出抵靠阀体壳体。基本上C形的密封件(39)包括与间隙(43)基本对准的间隙。部分盘(35)和C形密封件(39)构造成由于其在阀体壳体(42)内的旋转而交替地封挡并密封高压输入端口(33)和低压输出端口(38)。
阀体壳体包括联接到加压气体源的输入端口(33)和联接到排放系统的输出端口(38)，排放系统比如为环境大气、低压储存器、循环系统、冷凝器等。阀体壳体还包括缸体端口(32)，该缸体端口(32)通过管子或管道连接以形成例如经由如图1所示的输入端口(21)通向输入缸体(19)的内部的通道。
图6更详细地示出了当阀体插入阀体壳体(42)内时的阀体(42)，其中输入端口(33)和输出端口(38)与阀盖(41)一起联接到阀体壳体(42)上。
当部分盘(35)和C形密封件(39)旋转从而盖住输入端口(33)的开口时，输入端口(33)与缸体端口(32)密封分离。在一些实施例中，所述部分盘和密封件可构造成在输入活塞已完成其冲程之前切断向输入缸体的加压气体的供给，由此允许已存在于所述缸体内的加压气体通过进一步移动活塞而膨胀。该构造允许更加有效的操作，其原因在于包含在加压气体中的更大百分比的势能被转换成有用功。
在一些实施例中，可通过增加如图7所示的第二密封组件提高该密封件的密封特性。该第二密封组件包括螺纹中空壳体(44)和中空螺纹内阀轴(45)，螺纹中空壳体(44)形成输入端口(33)的通道的一部分并例如通过螺纹连接在输入端口(33)的位置处附连到阀体(36)的开口内，中空螺纹内阀轴(45)具有可例如通过螺纹连接附连到壳体(44)内的结合端部(46)，结合端部(46)接触壳体(44)的内壁。在一些实施例中，结合端部(46)可由比如为硅树脂的柔性、耐热材料构成。中空壳体(44)由此提供形成输入端口的通道的一部分的凹部，结合端部(46)提供形成在凹部内的端部件。第二密封组件还包括构造成装配在壳体(44)的开口内的密封盘(47)，密封盘(47)可沿壳体(44)的纵向轴线在打开位置与关闭位置之间运动，打开位置对应于密封盘(47)处于与结合端部(46)间隔开的构造中，关闭位置对应于密封盘(47)接触结合端部(46)。
引导组件(48)附连到密封盘(47)上，其可构造成将密封盘(47)的运动限制在打开位置与关闭位置之间。引导组件(48)还可包括形成在密封盘(47)的顶部上的突出部，该突出部可为圆锥形或截锥形，或者另外地构造有一个或更多个倾斜或坡面边缘。
密封盘(47)中包括一个或更多个通道或孔，以建立输入端口(33)与阀体壳体(42)的空腔之间的连通通道，由此当密封盘(47)处于打开位置时允许加压气体的通过。输入端口(33)中的加压气体源与阀体壳体(42)的空腔之间的压差可朝打开位置偏压密封盘(47)。除来自压差的偏压效果之外，另外地或可选地，弹簧或其它偏压装置也可用于将密封盘(47)偏压到打开位置中。
依旧与图7中所示的第二密封组件相关，每当部分盘(35)和C形密封件(39)旋转从而位于输入端口(33)的顶部上时，C形密封件(39)推动引导组件(48)的突出部，由此将其推压到关闭位置中，使得密封盘(47)抵靠接触内阀轴(45)的结合端部(46)，因此覆盖密封盘(47)的孔并基本上防止加压气体的流动。突出部的倾斜或坡面边缘形状便于通过允许C形密封件(39)逐渐地使突出部移位到阀体壳体的空腔外而将密封盘(47)推入到关闭位置中。
根据本发明的实施例，当输入活塞(18)通过正时组件返回至其初始位置时，相似的阀系统允许加压气体的排出。
根据本发明的一些实施例，快速排气阀(未示出)附装到输入缸体盖(22)上，以便允许所述加压气体的更迅速的排出。所述快速排气阀可由螺线管或其它装置控制，螺线管通过由根据飞轮(59)的位置机械地或光学地触发的开关所产生的电信号控制。可选择地，所述快速排气阀可通过由另一个输入缸体(19)中的加压气体的存在来触发的液压阀(未示出)进行控制。
根据本发明的一些实施例，直接或通过端口附装到输入缸体盖上的机械或电控输入阀可替代图5至7中所示的旋转阀。所述阀可由螺线管或其它装置控制，螺线管通过由根据飞轮(59)的位置机械地或光学地触发的开关所产生的电信号控制。可选择地，所述阀可通过由另一个输入缸体(19)中的加压气体的存在来触发的液压阀(未示出)进行控制。
根据本发明的实施例，缸体、活塞和结构元件由钢或不锈钢制造，O形环由硅树脂制造，柱形活塞环(28)由玻璃化PTFE制造，C形密封件(39)由Vespel或类似材料制造。本领域技术人员能够容易地想到用于每个部件的可选择材料。
根据本发明的实施例，压缩机的几何形状还构造或对准成确保在中断加压气体的供给时，输入活塞缸体组件中的一个始终处于有效位置，使得没有“死点”，而与加压气体供给中断时刻的位置无关。
根据本发明的实施例，两个或多个双缸体组件，比如图1中所示的双缸体组件，可在包括四个(4)或更多个输入缸体和相似或不同数量的输出缸体的组件中连结在一起。例如，在如图18所示的一个这样的实施例中，两个比如图1中所示的双缸体组件(1800和1810)可连结在一起，其飞轮(1805和1815)通过链或带(1830)连接。在该实施例中，一个双缸体组件(1800)的正时设定为与另一个双缸体组件(1810)的正时相位相差90°，因此，当第一双缸体组件(1800)中的活塞位于或接近其各个的冲程的止点时，第二双缸体组件(1810)的活塞大致位于其相应的冲程的中部。效果是消除了所施加的力的变化，否则当活塞到达其相应的冲程的止点时施加的力将发生变化，此外还减少了在所述冲程的止点处的“死点”的出现可能。根据本发明的加压气体动力压缩机因此可包括第一对两个或多个输入活塞缸体组件和第二对两个或多个输入活塞缸体组件，其中，正时系统构造成与第二对两个或多个输入活塞缸体组件异相地操作第一对两个或多个输入活塞缸体组件。
根据本发明的其它实施例，输入和输出缸体的数目可彼此不同。例如，可增加另外的输入缸体以便向曲轴提供附加转矩，或者直接经由所述曲轴提供动力，或者向输出活塞提供附加的压缩力。
系统
根据本发明的一方面，提供一种用于利用加压气体动力压缩机提取功的系统。该系统一般包括加压气体输入系统、由加压气体输入系统提供动力的加压气体动力压缩机、操作性地联接到加压气体动力压缩机上并构造成从加压气体动力压缩机输送废气和/或冷凝物的排放系统、以及操作性地联接到加压气体动力压缩机上并构造成从加压气体动力压缩机提取功的功提取系统。
图8示出根据本发明的实施例的用于利用加压气体动力压缩机提取功的系统(800)。系统包括加压气体输入系统(810)、加压气体动力压缩机(830)、排放系统(850)和功提取系统(870)，加压气体输入系统(810)构造为比如由低沸点(LBP)工作流体产生的饱和水蒸汽或蒸气的加压气体源，加压气体动力压缩机(830)由来自加压气体输入系统(810)的加压气体提供动力，排放系统(850)用于输送使用后的来自加压气体动力压缩机(830)的废气和/或冷凝物，功提取系统(870)由加压气体动力压缩机(830)提供动力并构造成以一种或更多种形式储存或传送能量。
加压气体输入系统(810)可构造成利用来自一种或更多种源——比如为太阳、燃料燃烧、来自工业过程的热等等——的热能(815)产生加压气体。在一些实施例中，功提取系统(870)包括一个或更多个止回阀(875)和比如为蓄能器、储存器、电机、发电机或类似装置的一个或更多个装置(880)。
加压气体输入系统构造成利用来自热源的热以产生来自工作流体或工作流体冷凝物的加压气体，工作流体或工作流体冷凝物比如为水或液体LBP工作流体。在一些实施例中，热交换器用于将来自热源的热传递至工作流体。潜在LBP工作流体可包括例如正戊烷、甲苯和氨、或其它液体、或者它们的混合物、或它们的水溶液或非水溶液。加压气体在蒸发器、蒸气发生器或类似设备中产生，并在压力下传送至加压气体动力压缩机的输入口。
根据本发明的实施例，热源可包括太阳能集中器、生物质燃烧设备、比如来自一个或更多个工业过程的废热的热源、或它们的组合、或者类似物。
根据本发明的实施例，压缩机构造成由通过一个或更多个装置或机构产生的蒸汽或其它加压气体驱动，所述装置或机构集中来自太阳辐射的热和/或由生物质或其它燃料的燃烧生成热以便由可再生源产生电力。
例如，图9A示出根据本发明的实施例的用于利用残余蒸汽驱动加压气体动力压缩机(910)的构造。残余蒸汽作为由利用来自蒸发器(930)的高压蒸汽的工业过程(920)输出的部分废气提供。
作为另一个示例，图9B示出根据本发明的实施例的用于利用使用热源在蒸发器(940)内产生的蒸汽驱动加压气体动力压缩机(910)的构造。蒸汽可为湿饱和蒸汽。热源可为构造成传送来自工业热源(955)、生物质燃烧设备(960)、太阳能集中器、或其它热源或者它们的组合的热的热交换器(950)。图9A和9B还示出用于冷凝废蒸汽的冷凝器(935)和用于促进热的废水再循环回到蒸发器(930)的泵(937)。
根据本发明的一些实施例，气体输入系统可构造成向多个例如串联或并联的包括加压气体动力压缩机的设备提供加压气体。例如，在一些实施例中，加压气体输入系统构造成在加压气体用于一个或更多个其它过程之后将所述加压气体供给至加压气体动力压缩机。例如，该一个或更多个过程可为工业过程、机械操作过程、加热或冷却过程、或类似过程。尽管如此，从该一个或更多个其它过程输出的在所述过程的范围中被认为是废气的加压气体仍然可以包含足够的用于操作加压气体动力压缩机的能量。在本发明的一些实施例中，加压气体动力压缩机可有利地利用湿的或部分消耗的或其它工作流体进行操作。
根据一些实施例，排放系统构造成将例如为废气和/或冷凝物的工作流体再循环至气体输入系统。排放系统可冷却工作流体，以促进废气从气体动力压缩机的流出。在一些实施例中，排放系统可将工作流体用于另外的过程，比如加热、冷却、吸收式制冷或类似过程。在一些实施例中，排放系统不会再循环工作流体，而是代之以从系统排出工作流体，比如废气、蒸汽、冷凝物、水或类似物。气体输入系统和排放系统可共同地构造成在加压气体动力压缩机的输入和输出之间形成梯度，比如压力和/或热梯度，上述梯度偏压工作流体以从气体输入系统流过加压气体动力压缩机到达排放系统。
在一些实施例中，用于例如在蒸发器或蒸气发生器中转变成加压气体的工作流体可由新鲜流体或配制流体——如来自排放系统(850)的再循环流体——或者其组合的外部源提供。例如，由于来自排放系统(850)的冷凝的工作流体实质上已被预热，因此可将其提供至蒸发器或蒸气发生器用于重新转化成气体，配制流体可由外部源提供以补偿工作流体循环时的工作流体损失。在一些实施例中，配制流体可例如经由热交换器预热，热交换器构造成将来自排放系统(850)——例如来自排放系统(850)的冷凝器——的热量传递至配制流体。
加压气体动力压缩机一般包括操作性地联接到加压气体输入系统和排放系统上的输入回路和操作性地联接到功提取系统上的输出回路。加压气体构造成例如通过使输入回路的活塞运动而流过输入回路并在其上做功。加压气体动力压缩机还包括传递系统，传递系统构造成例如通过利用传递杆、齿轮系统、传动带、传动轴、曲轴或类似装置传递来自使输入回路的活塞运动的力以使输出回路的活塞运动而将来自输入回路的功传递至输出回路。加压气体动力压缩机还包括构造成控制和/或促进加压气体的流动和通过输入回路排出的另外的元件，比如正时系统、分配系统、和/或阀齿轮系统。
根据本发明的实施例，用于利用加压气体动力压缩机提取功的系统可包括基本上如例如参照图1在此详细描述的那样的加压气体动力压缩机。根据本发明的实施例，用于利用加压气体动力压缩机提取功的系统可包括加压气体动力压缩机的其它结构，在一些实施例中这些结构可指的是往复式泵、蒸汽泵、泵发动机或类似结构。
例如，在一些实施例中，用于利用加压气体动力压缩机提取功的系统一般可包括加压气体动力压缩机，加压气体动力压缩机包括构造成对供给其中的输出流体进行压缩性地操作，输出流体在功提取系统中被用于做功、传递力、储能或类似作用，加压气体动力压缩机由来自加压气体输入系统的气体提供动力。
例如，加压气体动力压缩机包括一个、两个或多个输入活塞缸体组件和操作性地联接到各个输入活塞缸体组件上的一个、两个或多个输出活塞缸体组件。在一些实施例中，压缩机可具有单式结构，其中一个输出活塞缸体组件操作性地联接到一个输入活塞缸体组件的一端处。在一些实施例中，压缩机可具有复式结构，其中多个输出活塞缸体组件操作性地联接到一个输入活塞缸体组件的两端上。
在一些实施例中，输入活塞缸体组件可为单动式，施加在缸体内的压缩气体仅在动力冲程期间操作活塞。在一些实施例中，输入活塞缸体组件可为双动式，如本领域技术人员容易地理解的，例如通过交替地向活塞的两侧施加压缩气体，施加在缸体内的压缩气体在动力冲程和返回冲程期间都操作活塞。
在一些实施例中，输出活塞缸体组件可为单动式，而仅在动力冲程期间泵送流体。在一些实施例中，输出活塞缸体组件可为双动式，而如本领域技术人员容易理解的，例如通过从输出活塞的两侧上的空腔交替地泵送流体，由此在动力冲程和返回冲程期间都压缩和/或泵送流体。
在一些实施例中，两个或多个单动式输入活塞缸体组件可同相位地操作、异相位地操作或者同相位和异相位组合地操作，在同相位操作中使得两个或多个活塞大致同时执行动力冲程和返回冲程，在异相位操作中使得在两个或多个活塞中的一个执行动力冲程时另一个执行返回冲程。
在一些实施例中，两个或多个输入活塞缸体组件可布置成级联式结构，使得由第一输入活塞缸体组件部分地排出的加压气体被提供作为第二输入活塞缸体组件的输入气体。在一些实施例中，两个或多个输入活塞缸体组件可布置为并联结构，使得加压气体从同一气源供给。
功提取系统一般构造成将由输出回路做的功转换成施加到一个或更多个应用上的功，该一个或更多个应用比如为发电、水或流体泵送、空气压缩、施加到设备上的机械力或类似应用。功提取系统构造成经由比如为液体或气体的一种或更多种流体传送由输出回路做的功，其中，该一种或更多种流体中的一种通过例如经由输出回路的缸体的输出回路的压缩作用运动。
在一些实施例中，功提取系统和/或输出回路包括一个或更多个阀，比如止回阀。阀可构造成阻止通过功提取系统传送的流体的回流，由此促进有用功的提取。
在一些实施例中，功提取系统包括储能装置，比如液压或液气蓄能器或者加压罐。储能装置可构造成例如通过在经由提取的功施加的压力下保持不可压缩流体而储存由通过功提取系统提取的功积蓄的能量。蓄能器或其它储能装置可用作缓冲器，使得不必立即使用所提取的功，而可储存备用。
在一些实施例中，功提取系统包括由通过功提取系统在压力下传送的流体操作的液压或气动马达。液压或气动马达可操作为执行机械作业，比如使物体运动、操作机器等等。
在一些实施例中，功提取系统可构造成泵送水。例如，可将泵送的水吸入输出回路的输入端口，通过压缩作用排出输出回路的输出端口，并进入输出通道。水的泵送可执行成将水提升到预定高度并提升到蓄水库中。在一些实施例中，蓄水库可用于储存作为重力势能的能力。例如，水可储存在一定高度，随后水可从该高度被释放以驱动水力涡轮机或用于其它目的。在一些实施例中，水可由重力驱动以驱动发电机，如本领域技术人员可容易地理解的。
在一些实施例中，功提取系统可构造成用以发电。例如，由功提取系统例如在压力下传送的流体可用于通过向操作性地联接到发电机上的涡轮机、操作性地联接到发电机上的液压或气动马达或其组合装置施加力以操作发电机。在一些实施例中，可采用另外的控制机构以便跟踪载荷和/或控制所产生的电力的质量。
在一些实施例中，功提取系统包括压缩空气储存器，输出回路构造成生成储存在所述储存器内的加压空气。加压空气可以以变化的量释放以便使电机或涡轮机转动，进而驱动发电机，从而产生所需要的电力。在一些实施例中，这可避免对电能存储装置的需要。在一些实施例中，加压空气可用于其它应用，比如用于操作气动工具或类似工具。
例如，图10A示出根据本发明的实施例的用于利用加压气体动力压缩机(1010)产生压缩空气的构造。空气由压缩机(1010)经由止回阀(1015)泵送至压缩空气储存器(1020)。
作为另一个示例，图10B示出根据本发明的实施例的用于利用加压气体动力压缩机(1010)产生动力的构造。通过压缩机(1010)的泵送作用经由止回阀(1015)在液压蓄能器(1030)内建立比如为水或油的液压流体的压力。在一些实施例中，液压蓄能器(1030)可操作为缓冲器，例如使得不必立即使用所提取的功，而可储存备用。这种缓冲器可用来便于处理能量供给与能量需求之间的波动或失调。例如，压缩机(1010)可将液压流体泵入液压蓄能器(1030)，或者压缩机(1010)可泵送空气以填充液压蓄能器(1030)中的可膨胀气囊等等。液压蓄能器(1030)内的加压的液压流体可用来操作用于产生动力的液压马达(1040)。
作为又一个示例，图10C示出根据本发明的实施例的用于利用加压气体动力压缩机(1010)产生电力的构造。通过压缩机(1010)的泵送作用经由止回阀(1015)在可操作为能量缓冲器的液压蓄能器(1030)内建立比如为水或油的液压流体的压力。液压蓄能器(1030)内的加压的液压流体可用于操作液压马达(1050)，液压马达(1050)操作性地联接到发电机(1060)上。施加到发电机(1060)上的力导致产生电力，所产生的电力可被传输或储存备用。在一些实施例中，液压马达(1050)和发电机(1060)可集成为水利发电机。
根据本发明的实施例，加压气体输入系统构造成向加压气体动力压缩机的输入回路供给低压或中压饱和蒸汽，加压气体动力压缩机的输出回路被供给作为由功提取系统传送的流体操作的环境空气。在这些实施例中，系统可构造成将压缩空气输送至工业压缩空气系统，由此替代否则通常将被空气压缩机所用的电力。
根据本发明的实施例，输入回路被供给低压或中压饱和蒸汽，输出回路连接至液压回路。在这些实施例中，加压气体动力压缩机可构造成输送加压液压流体流，加压液压流体流可构造成用以驱动液压马达，液压马达又驱动发电机。
根据本发明的实施例，输入回路被供给低压或中压饱和蒸汽，输出回路被供给水或其它流体。在这些实施例中，压缩机输送所述液体的液体流，所述液体流可被用于将其对着轮、涡轮机或涡轮发电机喷射以产生旋转力，用于移动所述液体(泵送)，或者用于将所述液体移动至更高的高度以便储存势能用于随后通过轮、涡轮机或涡轮发电机释放。
现在将参考具体的例子说明本发明。可以理解，以下例子意在说明本发明的实施例，而不意在以任何方式限制本发明。
示例
图11示出根据本发明的实施例的用于利用加压气体动力压缩机(1130)由太阳能提取电力的系统。该系统包括构造成将来自太阳的热能传送至蒸气发生器(1120)的太阳能集中器(1110)。蒸气发生器(1120)利用热能使LBP工作流体沸腾蒸发成加压蒸气。加压蒸气作为输入提供至加压气体动力压缩机(1130)的输入回路并在其上做功。用过的废蒸汽从加压气体动力压缩机(1130)排出至排放系统，并在再循环回到蒸气发生器(1120)用于再沸腾蒸发之前在冷凝器(1140)内冷凝。来自冷凝器(1140)的液态工作流体的再循环可包括利用泵(1145)进行泵送。
气体动力压缩机(1130)将来自其输入回路的动力输送至其输出回路，其输出回路构造成例如通过泵送比如为油或水的液压流体在液压流体上压缩地做功。气体动力压缩机(1130)的输出回路操作性地联接到功提取系统上，功提取系统包括止回阀(1150)、液压蓄能器(1160)、液压马达(1170)和发电机(1180)。流体在压力下从输出回路被泵送通过止回阀(1150)并进入液压蓄能器(1160)，液压蓄能器(1160)可在压力、重力势能或其组合等情形下储存液压流体。液压流体随后可被引导以驱动一个或更多个液压马达(1170)，比如构造成将液压转换成马达的机械转矩和角位移的回转马达。例如，液压马达(1170)可为齿轮和叶轮马达、轴向柱塞马达、径向活塞马达或类似马达。在一些实施例中，液压马达可构造成驱动发电机以由于其旋转运动而直接产生电力。在一些实施例中，发电机(1180)可例如经由齿轮系统、传动轴、传动带、或其组合等操作性地联接到液压马达(1170)上，发电机构造成由其机械运动产生电力。电力可被储存、用于一个或更多个应用、传输至电力传输系统或配电系统或类似系统、或者可以是上述组合。在一些实施例中，可采用附加的控制机构以便跟踪载荷和/或控制所产生的电力的质量。
图12示出根据本发明的实施例的用于利用加压气体动力压缩机由生物质燃烧提取电力的系统。该系统可与关于图11描述的系统大致相似地进行操作，只是替代太阳能集中器，该系统包括构造成由比如木制品、植物产品、动物产品或其组合等生物质燃料的燃烧产生热能的生物质燃烧设备(1210)，热能传送至蒸气发生器。另外，在一些实施例中，替代LBP工作流体，工作流体可为水和/或水蒸汽。该系统可包括用于利用来自生物质燃烧设备(1210)的热沸腾蒸发蒸汽的蒸发器(1220)、由来自蒸发器(1220)的蒸汽操作的压缩机(1230)、用于冷凝来自压缩机(1230)的排出蒸汽的冷凝器(1240)和用于再循环冷凝的排出物的泵(1245)。该系统还可包括与功提取系统的液压蓄能器(1260)、液压马达(1270)和发电机(1280)一起操作性地联接到压缩机(1230)的输出回路上的一个或更多个止回阀(1250)，发电机(1280)构造成用于利用来自压缩机(1230)的液压流体发电。
图13示出根据本发明的实施例的用于利用加压气体动力压缩机由太阳能、生物质燃烧或其组合提取电力的系统。该系统可与关于图11和12描述的系统大致相似地进行操作，只是可选择地使用多个热源中的一个或更多个。热能可由太阳能集中器(1310)和生物质燃烧设备(1315)基本同时地或在不同时间产生。多个热源的使用可提高系统的可靠性、经济可行性等。该系统可包括用于利用来自生物质燃烧设备(1315)和/或太阳能集中器(1310)的热产生高压蒸气的蒸气发生器(1320)、由来自蒸气发生器(1320)的蒸气操作的压缩机(1330)、用于冷凝来自压缩机(1330)的排气的冷凝器(1340)和用于再循环冷凝的排气的泵(1345)。该系统还可包括与功提取系统的液压蓄能器(1360)、液压马达(1370)和发电机(1380)一起操作性地联接到压缩机(1330)的输出回路上的一个或更多个止回阀(1350)，发电机(1380)构造成用于利用来自压缩机(1330)的液压流体发电。
图14示出根据本发明的实施例的用于利用加压气体动力压缩机由工业热源(1405)提取电力的系统。该系统可与关于图11或12描述的系统大致相似地进行操作，只是提供至蒸发器的热能由工业过程产生并且可以经过热交换器(1410)。例如，工业过程可包括冶炼过程、涉及放热反应的化学过程、利用随后例如经由热交换器(1410)被冷却的加热的固体、液体或气体的过程、或类似过程。在一些实施例中，该系统构造成利用工业废热用于发电。该系统可包括用于利用来自生物质燃烧设备(1410)的热沸腾蒸发水蒸汽的蒸发器(1420)、由来自蒸发器(1420)的水蒸汽操作的压缩机(1430)、用于冷凝来自压缩机(1430)的排出水蒸汽的冷凝器(1440)和用于再循环冷凝的排出物的泵(1445)。该系统还可包括与功提取系统的液压蓄能器(1460)、液压马达(1470)和发电机(1480)一起操作性地联接到压缩机(1430)的输出回路上的一个或更多个止回阀(1450)，发电机(1480)构造成用于利用来自压缩机(1430)的液压流体发电。
可选择地，根据如图15所示的本发明的实施例，该系统可构造成用于利用加压气体动力压缩机由工业热源提取动力。例如，如本领域技术人员可容易地理解的，替代或除发电之外，液压马达(1570)可构造成提供机械动力用于一个或更多个适当的应用，比如用于操作工具或机器。该系统可包括用于利用来自热交换器(1510)的热沸腾蒸发水蒸汽的蒸发器(1520)、由来自蒸发器(1520)的水蒸汽操作的压缩机(1530)、用于冷凝来自压缩机(1530)的排出水蒸汽的冷凝器(1540)和用于再循环冷凝的排出物的泵(1545)。该系统还可包括与构造成用于产生动力的功提取系统的液压蓄能器(1560)和液压马达(1570)一起操作性地联接到压缩机(1530)的输出回路上的一个或更多个止回阀(1550)。
图16示出根据本发明的实施例的用于利用加压气体动力压缩机由残余蒸汽产生压缩空气的系统。蒸发器(1610)例如由工业热、太阳能、生物质燃烧、矿物燃料燃烧等提供燃料，来自蒸发器的可为过热蒸汽的高压蒸汽部分地用于工业过程(1620)中。来自工业过程的可为湿蒸汽或饱和蒸汽的残余蒸汽被提供作为加压气体动力压缩机(1630)的输入回路的输入，并在其上做功。失去效能的工作流体从加压气体动力压缩机(1630)排出到排放系统，并在被再循环回到蒸发器(1610)以便再沸腾蒸发之前在冷凝器(1640)内冷凝。气体动力压缩机(1630)将来自其输入回路的动力传送至其输出回路，其输出回路构造成通过泵送比如为空气的可压缩流体在可压缩流体上压缩地做功。空气经过单向止回阀(1650)被泵送至压缩空气储存器(1660)，在压缩空气储存器(1660)处，空气可被储存并随后用于比如操作气动工具或机器或者输送至便携式容器等应用。
图17示出根据本发明的实施例的用于通过加压气体动力压缩机利用太阳能泵送水的系统。该系统可与关于图11说明的系统大致相似地进行操作，只是通过输出回路泵送的液压流体是水，并且未必需要液压蓄能器、液压马达和发电机。该系统可用于，例如从水井或蓄水层泵送饮用水，越过障碍将水泵送至蓄水器，或类似用途。该系统可包括构造成将来自太阳的热能传送至蒸气发生器(1720)的太阳能集中器(1710)、由来自蒸气发生器(1720)的蒸气操作的压缩机(1730)、用于冷凝来自压缩机(1730)的排出物的冷凝器(1740)和用于再循环冷凝的排出物的泵(1745)。该系统还可包括操作性地联接到压缩机(1730)的输出回路上的一个或更多个止回阀(1750)。
明显的，本发明的上述实施例是示例并可以多种方式变化。这些当前或将来的变化不应当被认为偏离了本发明的精神和范围，所有这些对于本领域技术人员来说显而易见的改进要包括在所附权利要求的范围内。

Claims (35)

1.一种用于利用加压气体动力压缩机从热提取功的系统，所述系统包括：
a)将热传递至工作流体从而将所述热转换成加压气体的装置；
b)由所述加压气体提供动力的压缩机，所述压缩机包括：
i)输入回路，所述输入回路构造成引导所述加压气体通过两个或多个输入活塞缸体组件，其中，每个输入活塞缸体组件构造成排出使用后的废气；
ii)输出回路，所述输出回路包括两个或多个直径比所述输入活塞缸体组件小的输出活塞缸体组件，每个输出活塞缸体组件包括用于流体进入的进口阀和用于压缩流体的离开的输出阀；
iii)传递系统，所述传递系统构造成将在所述输入活塞缸体组件中产生的力传递到所述输出活塞缸体组件上；
iv)返回系统，所述返回系统构造成促进所述输入活塞缸体组件中的至少第一活塞缸体组件的在其动力冲程之后的返回冲程；和
v)正时系统，所述正时系统构造成控制所述加压气体至所述输入活塞缸体组件的输入和从所述输入活塞缸体组件的排出；
c)加压气体输入系统，所述加压气体输入系统构造成提供用于为所述压缩机提供动力的所述加压气体；
d)分配系统，所述分配系统操作性地联接到所述正时系统、所述加压气体输入系统、和所述输入回路上，所述分配系统构造成协作地向所述输入活塞缸体组件提供加压气体；
e)排放系统，所述排放系统构造成从所述压缩机输出废气；以及
f)功提取系统，所述功提取系统构造成至少部分地经由所述输出流体从所述压缩机提取功，其中，所述功提取系统构造成执行选自以下群组的一个或更多个操作，所述群组包括：产生压缩空气、提供动力和产生电力。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述返回系统包括由所述输入活塞缸体组件中的至少一个的运动致动的旋转曲轴。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述正时系统至少部分直接或间接地根据所述旋转曲轴的旋转位置被致动。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述分配系统包括通过所述旋转曲轴致动的旋转阀组件，所述旋转阀组件构造成根据所述旋转阀组件的旋转位置向所述输入活塞缸体组件中的一个或更多个提供加压气体。
5.根据权利要求2所述的系统，其中，所述正时系统包括将所述曲轴的运动传递至所述分配系统的齿轮箱。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述正时系统通过在所述输入活塞缸体组件中的至少一个内的压力的存在与否被致动。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述分配系统包括一个或更多个机械控制阀或电控阀。
8.根据权利要求2所述的系统，其中，所述输入活塞缸体组件中的两个或多个的轴线偏离所述曲轴的轴线，使得当第一输入活塞缸体组件的活塞到达其冲程的止点时，第二输入活塞缸体组件的活塞已经经过其冲程的止点，并且因此处于在加压气体被引入所述缸体时运动的位置。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述输入活塞缸体组件和所述输出活塞缸体组件中的至少一个包括装配有一个或更多个双环的活塞，每个双环均包括设置在槽内的O形环和由低摩擦材料制成的机械加工环，所述O形环构造成对所述机械加工环施加向外的压力，由此在每个活塞与相关的缸体壁之间提供气密密封并减少对于润滑油的需求。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述分配系统构造成在输入活塞缸体组件的输入活塞完成其冲程之前，切断向所述输入活塞缸体组件的加压气体的供给，由此使得已经存在于所述缸体内的加压气体能够通过进一步移动所述输入活塞而膨胀。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述分配系统包括：
a)阀体壳体，所述阀体壳体包括：
i)连接到所述加压气体输入系统的输入端口；
ii)连接到所述排放系统的输出端口；和
iii)连接到一个或更多个活塞缸体组件的缸体端口；以及
b)可旋转地装配在所述阀体壳体内的旋转阀体，所述旋转阀体包括装配有由低摩擦材料制成的密封件的部分盘和其表面上具有部分切除部的阀盖；
其中：在所述旋转阀体的第一旋转位置，在所述输入端口与所述缸体端口之间形成通道，所述输出端口被封挡；在所述旋转阀体的第二旋转位置，在所述输出端口与所述缸体端口之间形成通道，所述输入端口被封挡。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述阀体壳体进一步包括操作性地联接到所述输入端口上的第二密封组件，所述第二密封组件包括：
a)形成所述输入端口的通道的一部分的凹部；
b)形成在所述凹部内的端件，所述端件包括柔性材料；
c)密封盘，所述密封盘能够沿所述输入端口的所述通道的纵向轴线在打开位置与关闭位置之间运动，所述密封盘在其内包括一个或更多个第二通道，在所述打开位置，所述密封盘处于与所述端件间隔开的结构中，由此便于当位于所述打开位置时气体在所述缸体端口与所述输入端口之间通过；在所述关闭位置，所述密封盘与所述端件接触，由此当位于所述关闭位置时将所述缸体端口与所述输入端口密封分离；以及
d)操作性地联接到所述密封盘上的引导组件，所述引导组件包括突出部，所述突出部构造成用以与所述旋转阀体接合以使所述密封盘运动到所述关闭位置，并且所述突出部构造成允许所述密封盘在所述突出部没有被所述旋转阀体接合时运动到所述打开位置。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，至少一个输出活塞缸体组件包括集成的进入止回阀，所述集成的进入止回阀包括：
a)可滑动地联接所述输出活塞缸体组件的一部分的内部法兰，所述内部法兰能够在伸出位置与缩回位置之间运动，所述内部法兰在其内具有第一组一个或更多个孔，所述第一组孔构造成在所述内部法兰位于所述缩回位置时与形成在所述输出活塞缸体组件中的第二组孔对准，由此便于用流体填充所述输出活塞缸体组件；以及
b)弹簧系统，所述弹簧系统构造成在所述输出活塞缸体组件内的压力相对于所述输出活塞缸体组件外部的压力超过预定量时，将所述内部法兰偏压到其伸出位置。
14.根据权利要求1所述的系统，其中，至少一个输出活塞缸体组件包括集成的输出止回阀，所述集成的输出止回阀包括：
a)外部法兰，所述外部法兰可滑动地联接到所述输出活塞缸体组件的一部分上，所述外部法兰能够在伸出位置与缩回位置之间运动，所述外部法兰构造成在所述外部法兰位于所述缩回位置时阻挡流体通过一个或更多个端孔的流通，所述外部法兰构造成在所述外部法兰位于所述伸出位置时开启流体通过所述一个或更多个端孔的流通，所述一个或更多个端孔形成在所述输出活塞缸体组件的所述部分中，所述外部法兰进一步包括出口端口；
b)弹簧系统，所述弹簧系统构造成在构造为接收从所述出口端口输出的流体的通道内的压力相对于所述输出缸体内的压力超过预定量时，将所述外部法兰偏压到其缩回位置。
15.根据权利要求1所述的系统，其中，所述输入回路包括第一对两个或多个输入活塞缸体组件和第二对两个或多个输入活塞缸体组件，其中，所述正时系统构造成与所述第二对两个或多个输入活塞缸体组件异相地操作所述第一对两个或多个输入活塞缸体组件。
16.根据权利要求1所述的系统，其中，所述输出活塞缸体组件中的至少一个包括输出活塞，所述输出活塞通过杆端轴承以足够的自由度附装到所述传递系统上，以利于在未对准的情况下的破坏防止。
17.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统构造成在液压回路中的液体上产生压力，由此产生动力，所述液压回路包括一个或更多个阀、蓄能器和马达的组合。
18.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统构造成在液压回路中的液体上产生压力，由此驱动发电机以产生电力，所述液压回路包括一个或更多个阀、蓄能器和马达的组合。
19.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统构造成通过由选自以下群组的一个或更多个装置产生的蒸汽或其它加压气体驱动，所述群组包括：集中来自太阳辐射的热的装置、由生物质的燃烧产生热的装置、以及由其它可再生或不可再生燃料的燃烧产生热的装置。
20.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统构造成产生加压空气，所述加压空气被储存在储存器中。
21.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统构造成产生加压空气，所述加压空气被储存在储存器中，所述加压空气以变化的量释放以便使马达或涡轮机转动，所述马达或涡轮机又能够驱动发电机，以便根据需求产生动力或电力，而无需除所述储存器之外的其它储存装置。
22.根据权利要求1所述的系统，其中，所述功提取系统包括储能装置。
23.一种由加压气体提供动力的压缩机，包括：
a)输入回路，所述输入回路构造成引导所述加压气体通过两个或多个输入活塞缸体组件，其中，每个输入活塞缸体组件构造成排出使用后的废气；
b)输出回路，所述输出回路包括两个或多个输出活塞缸体组件，每个输出活塞缸体组件填充有流体并且直径小于所述输入活塞缸体组件，从而以基本上比被引导通过所述输入活塞缸体组件的加压气体的压力大的压力使所述流体移位和加压，所述输出活塞缸体组件包括用于流体进入的进口阀和用于压缩流体的离开的输出阀；
c)传递系统，所述传递系统构造成将在所述输入活塞缸体组件中产生的力传递到所述输出活塞缸体组件上；
d)返回系统，所述返回系统构造成促进所述输入活塞缸体组件中的至少第一活塞缸体组件的在其动力冲程之后的返回冲程；
e)正时系统，所述正时系统构造成控制所述加压气体从所述输入活塞缸体组件的输入和排出；以及
f)分配系统，所述分配系统操作性地联接到所述正时系统、加压气体输入系统、和所述输入回路上，所述加压气体输入系统提供用于为所述压缩机提供动力的所述加压气体，所述分配系统构造成协作地向所述输入活塞缸体组件提供加压气体。
24.根据权利要求23所述的压缩机，其中，所述返回系统包括由所述输入活塞缸体组件中的至少一个的运动致动的旋转曲轴。
25.根据权利要求24所述的压缩机，其中，所述正时系统直接或间接地根据所述旋转曲轴的旋转位置被致动。
26.根据权利要求24所述的压缩机，其中，所述分配系统包括通过所述旋转曲轴致动的旋转阀组件，所述旋转阀组件构造成根据所述旋转阀组件的旋转位置向所述输入活塞缸体组件中的一个或更多个提供加压气体。
27.根据权利要求23所述的压缩机，其中，所述输入活塞缸体组件中的两个或多个的轴线偏离曲轴的轴线，使得当第一输入活塞缸体组件的活塞到达其冲程的止点时，第二输入活塞缸体组件的活塞已经经过其冲程的止点，并且因此处于在加压气体被引入所述缸体时运动的位置。
28.根据权利要求23所述的压缩机，其中，所述输入活塞缸体组件和所述输出活塞缸体组件中的至少一个包括装配有一个或更多个双环的活塞，每个双环均包括设置在槽内的O形环和由低摩擦材料制成的机械加工环，所述O形环构造成对所述机械加工环施加向外的压力，由此在每个活塞与相关的缸体壁之间提供气密密封并减少对于润滑油的需求。
29.根据权利要求23所述的压缩机，其中，所述分配系统构造成在输入活塞缸体组件的输入活塞完成其冲程之前，切断向所述输入活塞缸体组件的加压气体的供给，由此使得已经存在于所述缸体内的加压气体能够通过进一步移动所述输入活塞而膨胀。
30.根据权利要求23所述的压缩机，其中，所述分配系统包括：
a)阀体壳体，所述阀体壳体包括：
i)连接到所述加压气体输入系统的输入端口；
ii)连接到从所述压缩机输出废气的排放系统的输出端口；和
iii)连接到一个或更多个活塞缸体组件的缸体端口；以及
b)可旋转地装配在所述阀体壳体内的旋转阀体，所述旋转阀体包括装配有由低摩擦材料制成的密封件的部分盘和其表面上具有部分切除部的阀盖；
其中：在所述旋转阀体的第一旋转位置，在所述输入端口与所述缸体端口之间形成通道，所述输出端口被封挡；在所述旋转阀体的第二旋转位置，在所述输出端口与所述缸体端口之间形成通道，所述输入端口被封挡。
31.根据权利要求30所述的压缩机，其中，所述阀体壳体进一步包括操作性地联接到所述输入端口上的第二密封组件，所述第二密封组件包括：
a)形成所述输入端口的通道的一部分的凹部；
b)形成在所述凹部内的端件，所述端件包括柔性材料；
c)密封盘，所述密封盘能够沿所述输入端口的所述通道的纵向轴线在打开位置与关闭位置之间运动，所述密封盘在其内包括一个或更多个第二通道，在所述打开位置，所述密封盘处于与所述端件间隔开的结构中，由此便于当位于所述打开位置时气体在所述缸体端口与所述输入端口之间通过；在所述关闭位置，所述密封盘与所述端件接触，由此当位于所述关闭位置时将所述缸体端口与所述输入端口密封分离；以及
d)操作性地联接到所述密封盘上的引导组件，所述引导组件包括突出部，所述突出部构造成用以与所述旋转阀体接合以使所述密封盘运动到所述关闭位置，并且所述突出部构造成允许所述密封盘在所述突出部没有被所述旋转阀体接合时运动到所述打开位置。
32.根据权利要求23所述的压缩机，其中，至少一个输出活塞缸体组件包括集成的进入止回阀，所述集成的进入止回阀包括：
a)可滑动地联接所述输出活塞缸体组件的一部分的内部法兰，所述内部法兰能够在伸出位置与缩回位置之间运动，所述内部法兰在其内具有第一组一个或更多个孔，所述第一组孔构造成在所述内部法兰位于所述缩回位置时与形成在所述输出活塞缸体组件中的第二组孔对准，由此便于用流体填充所述输出活塞缸体组件；以及
b)弹簧系统，所述弹簧系统构造成在所述输出活塞缸体组件内的压力相对于所述输出活塞缸体组件外部的压力超过预定量时，将所述内部法兰偏压到其伸出位置。
33.根据权利要求23所述的压缩机，其中，至少一个输出活塞缸体组件包括集成的输出止回阀，所述集成的输出止回阀包括：
a)外部法兰，所述外部法兰可滑动地联接到所述输出活塞缸体组件的一部分上，所述外部法兰能够在伸出位置与缩回位置之间运动，所述外部法兰构造成在所述外部法兰位于所述缩回位置时阻挡流体通过一个或更多个端孔的流通，所述外部法兰构造成在所述外部法兰位于所述伸出位置时开启流体通过所述一个或更多个端孔的流通，所述一个或更多个端孔形成在所述输出活塞缸体组件的所述部分中，所述外部法兰进一步包括出口端口；
b)弹簧系统，所述弹簧系统构造成在构造为接收从所述出口端口输出的流体的通道内的压力相对于所述输出缸体内的压力超过预定量时，将所述外部法兰偏压到其缩回位置。
34.根据权利要求23所述的压缩机，其中，所述输入回路包括第一对两个或多个输入活塞缸体组件和第二对两个或多个输入活塞缸体组件，其中，所述正时系统构造成与所述第二对两个或多个输入活塞缸体组件异相地操作所述第一对两个或多个输入活塞缸体组件。
35.根据权利要求23所述的压缩机，其中，所述输出活塞缸体组件中的至少一个包括输出活塞，所述输出活塞通过杆端轴承以足够的自由度附装到所述传递系统上，以利于在未对准的情况下的破坏防止。
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