CN104937275A - 在外部加热和内部燃烧中各自具有从外围到中心的流以及从中心到外围的流的离心式膨胀机和压缩机 - Google Patents

Abstract

在一个泵的外围或中心，发动机将压缩继而加热的空气或燃烧产物供给到连续的离心式膨胀机中。本发明也是一组相关发明，包括一组用于将径向流转换为轴向流的流导向件，以及一组将轴向流转换为径向流的流导向件，以及这些流导向件的组合。本发明也包括被用于形成多级压缩机或多级膨胀机的离心泵的联合使用，其中至少一个泵处理从泵的轴附近向外围移动的气体的流，并且至少一个其他的泵处理从该其他的泵的外围向该其他的泵的轴移动的相同气体的流。

Description

在外部加热和内部燃烧中各自具有从外围到中心的流以及从中心到外围的流的离心式膨胀机和压缩机

相关申请的交叉引用

以下仅仅是用于审查员的信息，并且在本申请说明书中没有被引用，并且与本申请没有法律或者优先权关系。

涉及申请号US13/342,773，它显示使用单原子气体和离心泵的旋转外热式发动机。审查员还没有指定。

也涉及申请号12,291,148，其现为专利8,087,247，它是作为专利号7,874,175发布的、申请号12/152,437的部分继续申请。也涉及现在在南非共和国作为专利发布的、PCT/US2009/002910的独立权利要求，其要求作为膨胀机被使用在逆流中的离心泵的权利。在先申请US13/342,773的离心式压缩机和膨胀机是本发明的部分。在在先申请或专利中没有多级压缩机或膨胀机。一些新的单级压缩机和膨胀机没有被显示在在先申请或上面参考的专利中。

联邦政府资助的研究

不适用

共同研究者 

不适用

参考“序列表”、表格等

不适用

本发明的背景 

本发明的领域 

广义上讲，一个领域是内燃机，尤其是涡轮型内燃机。第二个领域是多级离心式压缩机。第三个领域是目前没有实施的多级离心式膨胀机。第四个领域是外热式发动机。第五个领域是改变流向的导向件。第六个领域是没有显著涡流的流动路径的弯曲。子领域是现有技术多级离心泵和轴承系统和喷气发动机设计。

在这些种类中，一个领域是多级离心式压缩机，该多级离心式压缩机包括以传统方式作用、具有从中心到外围移动的流的压缩机，紧随其后的是随着从外围到中心的流运转的新技术的离心式压缩机。在应用第二级离心式压缩机之前，现有技术将流返回至中心。这就是被应用到压缩机的传统使用的发明。

需要说明的是，词语“膨胀机”包括流动穿过其中的气流中热能和宏观速度被转换为机械能的概念。在离心式膨胀机的情况中，机械能通过转子接收，转子由穿过膨胀机的气流推动。转子可以通过另一个机械装置替代，比如活塞。气体的温度经常在进入和离开膨胀机间的期间内下降。气体经常在膨胀机中膨胀。气体速度通常在进入和离开膨胀机间的期间内增加。离心式膨胀机被定义为随着新技术流动方向运转以作为膨胀机的离心泵。在以前的技术中，离心泵主要被当作压缩机。

鲜为人知的多级离心式膨胀机在发动机(无论是内热式或外热式)中的使用是本发明的另一个领域。多级离心式膨胀机可以是相对于流向后运行的旧技术的离心式压缩机。多级离心式膨胀机可以、但不必要的包括新技术离心式膨胀机，新技术离心式膨胀机通过流运转，该流从外围向中心流动并且冲击转子叶片，该转子叶片通过膨胀机从紧随其后的流退回，同时流从中心向外围流动、再一次冲击转子叶片，该转子叶片从流退回。上述多级可以在中心处或者在外围处开始流动，并且使用多于两级。在相同轴上的四个级将被显示在图1中。转子可以全部在或者可以不全部在相同的轴上。使用新膨胀机的各个级具有被保持在一对盘形件之间的叶片。盘形件不需要是平坦的，而可以是凹入的或凸起的。一对盘形件之间的间距可以在外围较大或较小，以引起由于压降、或由于速度改变、或由于温度改变、或任意组合造成的流体的膨胀或者收缩。在膨胀机中，后一级可以具有比前一级盘形件进一步远离的盘形件。在压缩机中，后一级可以具有更靠紧在一起的盘形件。

本发明也特别适用于上述多级膨胀机，上述多级膨胀机作为在内燃机或热气喷射发动机中的膨胀机。新技术的发动机包括加压热气源，例如，喷射发动机的排气、或者燃烧器的排气、或者简单地通过太阳能加 热的压缩空气。加压的热气将被施加在作为膨胀机的离心式压缩机的中心，或者被施加作为膨胀机的这样的压缩机的外围。即使是喷射发动机和燃烧器，所有三个可能的热气源也需要前端压缩机。在喷射发动机中，空气被吸入和压缩，然后燃料被添加和燃烧，不仅产生CO₂和H₂O，也产生压缩N₂。空气的80％是N₂。相同的产物在燃烧器中产生。在被太阳能加热的压缩空气的情况中，热气的成分是O₂加N₂。N₂的相对量可以通过燃烧贫燃料混合物而被增加。在所有情况中，双原子气体N₂多于膨胀机输入的一半。这意味着，大约8级膨胀是必要的，在泵中使用标准钢以将输出温度改变到输入温度的一半，提供50％效率。为了在由Elliott-turbo.com提供的计算器中计算插入空气的必要的级数，以及用于绝热压缩空气的适宜的压力比，以获得2:1温度比。

如果输入气体被施加在中心处、轴附近，以用于第一级螺旋运动，则叶片由具膨胀的流体推动，该叶片具有指向中心的、从常态到被推动的表面的构件。当向外螺旋运动时，叶片向推动流体呈凹形。这对于任何螺旋运动都是正确的，很像由于流而旋转的风车。因为角动量守恒，所以在叶片组件系统和推动流体中，在螺旋运动的流体中引起的旋转与叶片旋转相反。

如果输入气体被施加在外围，则叶片通过流体推动。通常从常态到被推动的表面的构件将指向外围。在此情况中，当向内螺旋运动时，叶片向推动流呈凸形。叶片旋转以致它们绕轴的角动量与进入的流体绕相同轴的角动量的方向相同。叶片可以是直的或者甚至稍微弯曲的其他形式，但是这会降低效率。

包括上述内容的一些不同的连结在说明书中通过附图被显示和讨论。如果流体从中心向外围移动，则流体具有与叶片角动量相反的角动量。如果下一级在沿着相同的方向(顺时针方向或逆时针方向)旋转的另一个轴上，则通过两个轴之间延续的连接路径(参见图5)，流体可以直接从一级的外围流出，并且进入下一级的外围。如果下一级在沿着相反方向(顺时针方向或逆时针方向)旋转的另一个轴上，则通过两个轴的相同侧延续的连接路径(参见图6)，流体可以直接从一级流出，并且 进入下一级。如果在相同的轴上，则在进入下一级的外围之前，流体必须在外围处转向180度。叶片的螺旋运动继而最好从外围到中心发生、与前面一级叶片的螺旋运动相反，该叶片的表面被推动、具有指向外围的构件。

假设在一级中，流体向内螺旋运动，这被称为前级，则流体必须在下一级中向外螺旋运动。在将流体导入下一级离心式膨胀机的中心之前，流体必须从径向到轴向运动、离开此前级。这种转换将被显示和讨论。流体将继而从轴向被改变回径向、进入下一级(也将被讨论)。使用可能被附接到轴的流体导向件的转换方法将在权利要求中要求权利。通过具有指向中心的构件的被推动的叶片表面，从中心到外围的螺旋运动将继而产生。

本发明也适用于使用如上描述的多级膨胀机和多级压缩机的外热式发动机。在膨胀机的情况中，在向外的流体行程和向内的流体行程中均发生膨胀。在压缩机的情况中，在向外的流体行程和向内的流体行程中均发生压缩。工作流体的热交换加热在压缩后被施加。工作流体的热交换冷却在膨胀后被施加。

申请人的在先申请的发动机的一方面是压缩机转子从膨胀机转子沿着公共的轴接收转矩。转矩通过转子的公共轴被最佳的传送，但是可以通过替代的联接机构被传送。如果多于一个轴被使用将是有益的，并且申请人在先申请的扩展是在各个轴上将膨胀机和压缩机平衡。

第二方面是压缩机(无论离心泵还是容积式泵)可以从膨胀机接受机械扭矩。压缩机和膨胀机的移动部件以及它们之间的机械连接可以都被工作流体围绕，并且被围绕和容纳工作流体的容器围绕。如同申请人的在先申请那样，也可以有同样被相同的工作流体槽围绕的发电机。

由于工作流体在非常缓慢移动的容器中(可能在移动的车辆或地板上)，但是轴旋转非常快，并且由于轴不能从容器内部向外部延伸，因此能量可以通过一个或多个发电机获取，发电机具有在与工作流体相同的容器中的磁体和输出线圈。来自线圈的电线将经过工作流体容器、从被浸在流体中到处于发动机的相对较慢移动的周围中。因此，当磁体在 容器内旋转时，线圈相对于容器应该是静止的。

相关技术的描述

对于申请人的新的多级离心式压缩机，最接近的相关技术是现有的多级离心式压缩机。在现有技术中，所有的压缩级中的流从转子的轴附近开始，并且在离心泵的外围附近停止。在申请人的发明中，当流从外围移动到轴附近时，申请人添加了压缩。

对于申请人的新的多级膨胀机，最接近的相关技术可能是现有多级离心式压缩机，其被使用在逆流中(虽然实际上并未实施)。实际上并未实施的现有技术的所有膨胀级中的流从离心泵的外围附近开始，并且在转子的轴附近停止。在申请人的发明中，当流从轴附近向外围附近移动时，申请人添加了膨胀。

另一个相关的在先技术是轴向膨胀机和轴向压缩机。它们使用很多较小的、像羽毛似的叶片，并且因此在叶片附近产生涡流。它们是最接近的相关技术。作为膨胀机的轴向涡轮看似它们有两个同心轴，一个顺时针方向运转并且另一个逆时针方向运转。通过各个涡轮叶轮的许多叶片，流在旋转方向上剧烈变化。这是为了适应下一级的相反的旋转。同样叶片非常迅速地经过彼此。由于气体穿过叶片组和叶片组的接近的通道间的方向变化以及使用具有边缘的叶片，许多涡流被产生。申请人的新技术的叶片具有更少的边缘。例如，因为没有气体垂直于这些边缘经过，所以申请人的叶片连接到支撑它们的盘形件的边缘不是有效边缘。在轴附近和在外围附近的这些聚集和释放边缘是仅有的有效边缘，并且它们各自可以提供在边缘处相遇的、平行于叶片的侧面的平缓的流。在先的轴向涡轮被用于能量产生中的膨胀，并且反过来用于压缩，例如，喷射发动机的空气收集和压缩。

关于申请人的新的内燃机，紧密相关的是冲击波发动机，目前由ARPA-E资助用于概念证明。它在某种程度上相当于具有从膨胀机中心向外围行进的流的申请人的发动机之一的单个级。膨胀机类似于冲击波室，但是通过连续的恒定速度的流运行。冲击波发动机的问题在于，相比申请人的发明，它们排出很高温度的燃烧产物，并且因此它们丢失大多数 可用热能。第二个问题在于流体不是沿着垂直于径向方向的方向排出，因此损失一些转矩。

关于申请人的发动机的热气源，一个源是太阳能加热的压缩空气。需要的换热器是相关的。同样相关的是作为加热的加压气体源的喷射发动机的领域。

关于使用包括单原子气体(比如氩)的回路的申请人的新的外热式发动机或热泵，在一种形式下，该新发明用新的多级膨胀机和压缩机代替申请人在先申请中的单级压缩机和膨胀机。

存在许多膨胀和收缩工作流体的外热式发动机。申请人最优选的之一是斯特林发动机，斯特林发动机在它最著名的方式中使用大活塞，以在被冷却和被加热之间振荡流体。通过发送流体通过回热器并且在回热器一端具有换热器加热源以及在回热器的另一端具有换热器冷却源，温度的波动被产生。与被振荡的相同的工作流体连通的能量输出活塞与振荡器活塞异相同步。在两个活塞处都有摩擦和压力和温度损失，但是主要在输出活塞处。同样在在先技术的斯特林发动机中，与活塞位移相比的闭死容积必须保持较小。申请人发明的发动机不需要活塞和改变体积的腔室，比如活塞腔室。因为从热换热器到冷换热器的完整的温度变化发生在离心泵中，所以回热器在申请人的发动机中也不是必要的，回热器通过流体阻力造成能量损失并且因此造成跨过回热器的压力损失，并且其通过回热器部件和流体之间的温差滞后也造成能量损失。进一步地，除非太阳能被用于加热空气，则在申请人的新的内燃机的情况中，没有换热器。

其他的发动机使用由膨胀机跟随的压缩机，但是继而向大气开口。最接近申请人的发明的是使用沿着叶轮的旋转轴线发送流体的轴向压缩机。例如，喷射发动机是可以在最前面使用压缩机的内燃机。叶轮关于它的壳体移动。即使当发动机只是空转时，这也会产生能量损失。当叶片相对于它们被容纳其中的壳体的移动速度快于声速时，也可能造成问题。如果多个压缩机叶片组合被使用，则涡流和湍流将产生而浪费能量。另一方面，在申请人大多数的设计中，申请人将盘形件放在转子叶片的 两旁，以致叶片不会沿着它们周围的环境掠过。

现在获得专利的申请人早些的发明，由于部件相对于彼此的运动，具有几乎零损耗(并且申请人所有的新发动机也是)。在申请人早些的美国获得专利的发明中，转子被附接到容器。然而，在该专利优选的实施方式中，转动工作流体的整个容器，并且因此最好被使用在太阳能中，其中热换热器可以在行驶中通过从太阳以光速移动的太阳辐射被供给。在具有相对于它们的壳体移动的转子的同时，申请人的新发明可以具有被保护在基本圆盘状的板之间的转子叶片，从而叶片不会相对于它们的周围环境移动，即盘形件也称作板。除了在它们的外围上或接近它们的外围，盘形件自身可以远离它们的周围。盘形件也可以在它们的周边接近时分离，以允许流体的逐渐更多的横截面流动穿过。各个盘形件围绕它的轴或延伸轴是对称的，使得在周围的工作流体上阻力很小。

由于叶轮被容纳在一对旋转的盘形件之间，在空载时，申请人的新发明具有小的能量损失，从而没有部件相对于彼此以零度以外的角度掠过另一个部件。换句话说，在叶轮附近，流体没有如同被使用在例如喷射发动机预压缩机中的现有设计的情况中那样在叶轮附近被刮擦去表面。申请人的发动机也没有接触工作流体的移动密封，因此除了承载转子的轴的轴承之外，不需要润滑剂。

最接近的相关技术是离心式压缩机和涡轮机。为了使得压缩风扇中心附近的输入和外围附近的输出之间的压力比最大化，叶片在它们从中心到外侧行进时的螺旋运动应该逆行(与旋转方向相反)。为了得到在压缩风扇外围附近的输入和中心附近的输出之间的更大的压力比，叶片在从中心到外侧行进时的螺旋运动应该与旋转方向相同，从而舀进流体。

除了叶片的旋转是反向的，类似的描述适用于内展和外展膨胀机的叶片。因此叶片通常倾向于在压缩机中的中心和外围之间辅助流动，并且在膨胀机中倾向于抵抗流动。

典型的多级压缩机，比如被显示在Elliot-turbo网站上的那些，在流体向外移动到外围时的级中压缩。在下一个以及类似的级之前，流体在固定管道中从外围到轴附近被再一次导向。申请人的发明使用从外围到 中心的移动，以通过使用上面描述的路径中的转子继续压缩。因此，对于Elliot-turbo设计中的每一级，申请人具有两个级，一个向外行进，另一个返回。

申请人不知道使用转子的多级膨胀机。申请人也不知道将两个级结合为用于从外围到中心以及返回到外围的工作介质的一个往返行程、或者将从中心到外围以及再返回到中心的两级结合的多级膨胀机或压缩机。

压力比越大，温度比越大，并且因此发动机的理论效率越大。当推动空气时，单级离心式压缩机上的压缩比的现有限度大约是十比一(10比1)。在压缩后外部热将被添加。对于单原子气体，温度比是2比1，给定压力比在6和7之间。绝对温度中的2比1比值意味着将热转换为机械能的50％的理论效率。这是被运行在这些温度之间的卡诺发动机的理论效率。当氩或者氪和氦的混合物被使用时，申请人的用于热泵或外热式发动机的发明可以实现更高的温度比，因此实现更高的效率。这三种气体是单原子的。

当考虑到申请人的内燃机的效率，用于双原子气体(比如是空气80％的氮气)的必要的压力比大约是12:1，以获得2：1的温度比。如果大多数燃烧副产品是CO₂和H₂O，则必要的压力比再一次加倍。然而，没有人将纯氧用于内部燃烧，所以严重倾向于N₂的混合物被输出，并且如果发动机运行贫化，则甚至可以给予N₂和O₂成分更大比重，因此降低必要压力比。

根据绝热压缩公式，对于给定的压力比，单原子气体的温度比大于由每单位分子中多原子构成的气体的温度比。分子中的多原子提供了更多的自由度，并且因此提供更多容量以存储通过压缩造成的热量。与双原子的单原子相比的此更高的温度比，以及与每单位分子具有更多原子的气体相比的双原子的更高的温度比，对于上面提及的发动机效率是重要的。

理想地，离心泵转子的叶片接触流体，或者沿着相反的方向将流体排出，从而流体在刚刚接触前以及刚刚离开各个叶片之后，沿着平行于 叶片表面的方向移动。各个叶片可以通过几个距离轴线不同距离处的叶片替代。理想地，为了最大效率，在各个转子中的压力差被最大化，以产生最大可能的温度比。在现有技术中，用于空气的离心式压缩机上可以实现的极端压力比大约是10:1。空气在10以上的比值，压缩机可能耗损快，并且可能是危险的。采用较重的气体，比如氩或者氪，问题会少些。为了很好的效率，7:1的比值是足够的，以降低风险，并且降低在发动机中的能量损耗。采用氩，压力比在温度中造成多于2:1的比值，足够实现接近50％的效率。氪是氩重量的两倍，并且因此将产生更高的压力比和更高的效率，但是它更稀有并且成本更高。在太阳能集热系统中，效率更加重要。必要的反射镜数目的比率等于效率比率。在太阳能集热系统中，反射镜的数目与效率成反比，以得到相同的能量输出。氩大约是大气的1％。因此当大气的20％的氧被吸取时，氩副产品的量大约是氧气量的5％。

在外热式发动机的情况中，为了从被传递到工作流体容器外部的转子得到能量，最好使用发电机。传输电流和电压的电线可以穿透容器从内部到外面，而没有摩擦损失或流体损失。转子的旋转可以被用于旋转被附接到圆柱体的磁体，圆柱体被附接到转子的盘形件。当固定电线将被附接到在转子轴线的假想延伸上的固定中心杆时，磁体将朝内指向轴线。磁体和电线均应该装入材料中以使得它们在旋转期间是流线型的。磁体将在基本与磁体一起旋转的流体中。线圈将在通过磁体的运动引起的流体的涡流中。因此在磁体处的阻力是极小的。阻力通过由固定线圈造成的涡流减速引起，其拖拽涡流，但是在旋转轴线附近，在此处速度和影响较小。同样，压力在中心附近较小。中心附近的压力可以通过允许从泵的盘形件泄漏到区域中并且同时防止外围高压进入而被进一步降低。除了装入磁体，磁体的材料可以呈类似轮胎的形状，其是流线型的。所以流体动力学领域和发动机领域将适用。

通过使用发电机作为电动机或者通过将电动机附接到没有发电机附接的泵上，转子的旋转可以被起动。电线当然会穿透流体容器，并且一组线圈应该是固定的。由于电动机将不会运转较长时间，换向器可以被 使用，并且换向器可以在高速时是脱离的。优于用于电动机的换向器的是，根据磁体的位置改变施加到发电机线圈的电压极性的光学传感器。通过在传感器和发电机线圈之间的电放大器，施加的电压以明显的方式被控制。所以电子和发电机领域适用。

电磁轴承，比如被使用在离心机中的，一旦它们达到操作速率，可以被用于与转子关联的高转速。由于实际上盘形件保持转子，转子的周围移动很快，因此用于高速列车的技术也适用。

本发明的一个目的在于制造发动机/热泵，当以稳定的速度操作时，其在任何特定的位置没有温度变化。由于工作流体的温度总是与最接近的容器壁温度相同，因此在特定位置由于改变操作温度造成的热损耗是可以忽略的。这通过使用离心泵实现，因此允许在泵中和泵之间的流体连接中的平缓的单向流。在在先技术中，使用容积式泵时，在泵中的位置具有剧烈的温度变化。在使用回热器时，在回热器中的位置具有剧烈的温度变化。

由于沿着空间上具有温度差异的部件的传导、主要在其中温度作为位置函数快速变化的压缩机和膨胀机中造成的热损耗可以以几种明显的方式被最小化，该方式包括将绝缘层放置在接触工作流体的表面上。为了防止磁体(如果使用的话)高温，根据发动机是否位于压缩机或膨胀机附近，除去轴附近的绝缘层是明智的，从而热量可以从发电机散发至膨胀机或压缩机的转子或冷却器部件。压缩机可以是冷却器。

本发明的另一个目的是制造一种发动机，其中在活塞或叶片周围本质上没有压力损失。现有的发动机将产生局部环流和湍流，尤其在叶片的靠近叶片壳体的位置。在大多数、如果不是全部的现有技术中，紧密排列的构件之间具有快速的相对运动。在申请人的发明中，通过将叶片置于盘形件之间，在移动部件附近的壳体量被最小化。通过使用盘形件保持、装入转子叶片和与转子叶片一起旋转，其中表面的交叉位置为移动的、与容器成角度的移动表面被最小化或消除。

应用到外热式发动机的本发明的另一个目的在于制造一种发动机，其由于在容器中的工作流体基本不改变形状或体积，因此除了应力或应 变，没有工作流体损失到外部或者活塞周围。没有移动元件穿透容器的外壳。如果钢被使用，则氩和氪气体将不能从它的壳体扩散或溢出。只有电线穿透工作流体容器的外壳。

本发明的另一个目的在于制造一种发动机，其由于旋转部件维持几乎恒定的旋转速度，因此应力保持几乎恒定，从而产生非常小的金属疲劳。在在先技术中，通过在不同应力下金属来回弯曲，造成金属疲劳。

本发明的另一个目的是制造一种发动机，其除了在轴处之外，不需要润滑剂。在发动机中没有其他的摩擦损耗。

本发明的另一个目的是制造一种发动机，其不需要密封。在其他的发动机中，在高温时密封可以产生问题。

本发明的另一个目的在于制造一种很低损耗的热泵，其通过改变旋转速度，允许温度比变化。

本发明的另一个目的在于制造一种热泵，其可以主要由铝制成，并且使用氩作为工作流体。

本发明的另一个目的在于使用转子在高压下、在外围附近喷射流体，转子包括具有在从旋转轴线向外移动时的增大的截面的管。管可以包括两个连续的叶片，并且两个盘形件的部分在叶片之间延伸。将叶片夹在它们之中、因此支撑叶片的边缘的盘形件，在离开旋转轴线时，可能彼此向外张开远离，因此看起来有点像抛物面反射镜。盘形件应该在它们的外围处或外围附近接近流体容器，并且当流体进入泵之间的管道时，在流横截面中没有突然的变化发生。在盘形件的外围具有刀口是有益的，从而盘形件能够保持强度，并且还通过最接近叶片的表面平稳地靠近管道入口。

上述目的均适用于旧的专利8,087,247和新的申请以及申请人旧的申请。以下目的是较新的，并且适用于新申请和申请人旧的申请。

本发明的另一个目的在于制造一种发动机，其具有本发明的平稳一致的流动特性，并且也允许外热式发动机的换热器为任意尺寸并且位于任意位置并且固定、只由它们中的流体阻力造成的压力损耗限制。例如，为了效率，斯特林发动机需要限制它的换热器的尺寸到小于在它的活塞 中的工作容积。除了权利要求之外，申请人以前的专利发明在它们的说明书中被限制到冷换热器的位置，并且例子显示换热器在运动中。对于另一个例子，如果是管，则热换热器可被堆叠放置，从而一些部件在火焰中并且其他部件通过燃烧的排出产物加热。

本发明的另一个目的在于制造一种发动机，其中，仅有的移动部件是转子以及转子轴，发电机被附接到转子的盘形件。如果这些部件中的一个失效，则损坏的零件可以通过流体容器容纳，因此防止损坏围绕物。

本发明的另一个目的是制造具有可以忽略的摩擦损耗的发动机，因为由于发动机循环，几乎没有固定部件相对于彼此移动。当然，如同大多数发动机，转子轴关于支撑轴的装置的部件旋转，比如滚珠或磁性的轴承。同样，保持转子叶片的盘形件的周边将相对于工作流体容器沿圆圈运动。申请人在盘形件的外围具有与固定圈相对的移动圈，该构造在任何时刻看起来相同，并且因此使得流体引起的阻力最小化。

本发明的另一个目的在于制造外热式发动机，其中压缩机由膨胀机驱动，由完全容纳在工作流体容器中的机械连接件传递扭矩，该机械连接件比如轴。任意的机械连接件可以被使用，不必要是轴。任意类型的压缩机或膨胀机，比如那些使用旋转齿轮的，可以被使用。

本发明的另一个目的是使用从膨胀机到发电机的扭矩驱动发电机，并且使用来自发电机的电线穿透流体容器，以将来自发动机内部的电力传递到发动机外部。

本发明的另一个目的是使得电线线圈并且同样使得发电机的磁体成为流线型，要么围绕延伸的轴具有圆对称，要么装入围绕延伸的轴具有圆对称的材料中。这将在线圈和磁体间的工作流体中降低阻力和涡流。

以下目的适于本发明，而不是其他提及的申请或提及的专利。

本发明的另一个目的是制造更有效率的多级离心式压缩机，在流体从转子的轴附近向转子的外围移动时以及当流体从转子的外围向转子的轴移动时，该多级离心式压缩机均压缩流体。

本发明的另一个目的在于制造一种更有效率的多级离心式膨胀机，在流体从转子的轴附近向转子的外围移动时以及当流体从转子的外围向 转子的轴移动时，该多级离心式膨胀机均从流体接收机械能。

本发明的另一个目的在于提供一种作为流体流导向件的有效的机构，以将流从径向向内运动改变为轴向运动，以及提供作为流体的流导向件的一种有效的机构，以将流从轴向运动改变为径向向内运动。类似地，在外围具有平缓转换件以从向外的流向向内的流转移。

本发明的另一个目的在于显示内燃机、或更通常的热压缩气体发动机的新类型，其包括整个发动机的部分，该部分将进入其中的加压的热气转换为运动能，并且排出冷却的气体。该部分很可能包括使用离心式膨胀机的膨胀机。

本发明的概述 

本发明是一组相关发明，包括一组将径向流转换为轴向流的流导向件、以及一组将轴向流转换为径向流的流导向件，相比于如果流导向件没有被添加以将流分为多个基本平行的流，这两种转换均伴随较少的涡流完成。当然，两组流导向件可以被结合成一组流导向件，其接收朝向离心泵的轴移动的流，并且将流转向，从而它在分别的离心泵中远离轴移动。

本发明也包括被用于形成多级压缩机的离心泵的联合使用，其中至少一个泵处理从轴附近向泵外围移动的气流，至少一个其他的泵处理从此其他的泵的外围向此其他的泵的轴移动的相同的气流。词语“处理”基本意味着在机械能和热能之间转换。

本发明也包括被用于形成多级膨胀机的离心泵的联合使用，其中至少一个泵处理从轴附近向泵外围移动的气流，并且至少一个其他的泵处理从该其他的泵的外围向该其他的泵的轴移动的相同的气流。

本发明也包括上述离心式多级膨胀机的使用，或者上述的离心式多级压缩机的使用，或者两者在外热式发动机或在热泵中的使用。

本发明也包括上述多级膨胀机在内燃机中的使用。这样做的一种方式是将小型喷射发动机的排气引入多级膨胀机中的一个泵的外围或中心。本发明也包括加压的热气的引入，其中喷射发动机的排气将被引入。例如，在连续流动路径中的空气通过压缩机加压，并且继而通过太阳能加热，并且继而被引导到离心式多级膨胀机中的一个泵的外围或中心中。

向内流的膨胀机中、向外流的膨胀机中、向内流的压缩机中和向外流的压缩机中的流导向件和螺旋叶片的细节在图3和4(用于膨胀机)以及图10和11(用于压缩机)中显示。词语“向内”和“向外”指的是被用于离心式多级膨胀机和压缩机中的泵中的外围和轴之间的流动方向，“向内”是朝向轴螺旋运动。

以下来自申请人在先申请的内容将有益于理解本发明。在先申请的发明主要是外热式发动机，其可以被改造以作为热泵。发动机包括换热器，以从工作流体除去热量到一些外部散热器，在工作流体的流之后是大致的离心式压缩机，该离心式压缩机类似于所有在先的离心式压缩机，包括叶轮或转子，以沿着相当于或大于轴向分量的正的径向分量的方向驱动流体。压缩机可以被认为是离心泵。在压缩机之后是换热器，以从外部源将热量添加到工作流体中。此换热器之后是膨胀机，该膨胀机实质上是另一个通过与传统运转的离心式压缩机的流相反的流运转的离心式压缩机，以致它可以被用于作为膨胀机。在外围附近，只要在持续电力生产期间考虑到流体，则此膨胀机的传统输出实际上是流体输入。在旋转轴附近，只要考虑到流体，则此膨胀机的传统输入实际上是输出。虽然当发动机产生能量时，相对于流动方向此膨胀机被向后操作，但是此膨胀机实际上物理地构建为离心式压缩机。为了清晰起见，当用于气体的离心泵被传统地操作时，气体它的转子旋转中心附近的传统的输入处被输入到泵，并且气体在位于泵外围附近的传统输出处被输出。从膨胀机输出的流进入用于除去热量的换热器。此换热器可以是或可以不是在此段开始处提及的除去热量的原始的换热器。至少一个压缩机的从输入到输出的温度比大于从压缩机的输出到下一个膨胀机的输入的温度比(在换热器中)。这通过在压缩机中使用结合高的压力比的单原子气体完成。在膨胀机中的温度比可以但是不必要地与压缩机中的比率的倒数相同。当然，包括以上描述的任意的外热式发动机可以被操作作为热泵。在膨胀机和压缩机中的比率几乎相等的事实可以在专利编号8,087,247里描述的发动机中更好的看到。更明显地，该发明中的旋转鼓的效果相同。

在申请人在先申请的最佳设计中，申请人在先申请的发动机包括在各个端部具有转子的轴以及在各个端部具有转子的另一个轴。此构造表示连续的两个 发动机。各个发动机具有单个轴，该轴在各个端部具有泵。四个转子中的每个转子都是各自离心泵的部件。在轴的一端上的转子是膨胀机的部件，并且在另一端的转子是压缩机的部件。通过冷却流体管道，在一个轴上的一个泵的中心入口被连接到在相同轴上的第二个泵的中心入口，冷却流体管道也包括换热器，以当流体从一个离心泵向另一个移动时，从流体移除热量。在另一个轴上的另外两个泵被连接，以相同的方式用于它们之间的冷却。

进一步地，在申请人在先的申请中，在其他部件之中，保持工作流体的壳体围绕四个转子和轴。该壳体被成形以致完成离心泵。除了冷却流体路径的部件，该壳体也成形以容纳在沿着轴行进的冷却流体管路上的换热器。冷却流体进入，并且相对于沿着这些管道的工作流体、以与这些管道中的工作流体流动的相反方向上相单独地移动。各个转子的转子叶片被夹在它们被附接到的各自一对盘形件之间。

对于“盘形件”这个词语不要太照字义。它们可能在周边会比较薄、是刀刃边缘，并且在旋转中心附近比较厚。它们也可以在它们的周边靠近时彼此偏离。此偏离有助于减慢工作流体的加速，并且增加压力变化。强调的是在压缩机的输出处的流体压力变化，而不是流量。盘形件也防止叶片从它们的周围表面掠走工作流体。各个叶片可以由距旋转轴线不同间距处的多重叶片代替。相对于保持叶片在适宜位置的盘形件，一组叶片可以在较小的程度旋转。通过调节叶片角度，旋转的叶片可以允许发动机补偿不同速度的影响，以致流体总是基本平行于叶片表面地与各叶片接触。

进一步描述申请人的在先申请，磁体阵列或阵列的保持件被附接到压缩机或膨胀机的至少一个外部盘形件。这是发电机的部件，以从发动机获取电能。发电机的输出电压线圈被附接到电线，电线穿透保持工作流体的壳体。因此，线圈相对于泵的壳体是固定的。除了在轴附近，保持叶片的盘形件和叶片在它们的表面是绝热的，以使得热损失最小化，在轴附近需要使热流从内表面到外表面通过盘形件以冷却容纳磁体的发电机体，。

进一步描述申请人的在先申请，通过热流体管道，从用作压缩机的两个离心泵的各个泵外围的流体输出被连接到用作膨胀机的两个离心泵中的各自一个泵的外围处的输入。两个热流体管道各自具有机构，以当工作流体穿过它们 时，向工作流体加热。该机构可以是进入热流体管道的第二流体管道，或者加热可以被直接施加到热流体管道，热流体管道各自可以包括多个管。当然，各个冷流体管道也可以包括多个管。

对于申请人的在先申请，用于两个膨胀机和两个压缩机的连接在上面刚刚被描述。保持转子的轴将可能互相平行。热流体管道不需要是直的。因此如果各热流体管道从一个轴向另一个行进，则轴可以紧靠在一起，而不限制管道的长度。如果管道是直的，则转子配置看起来很像汽车的四个车轮。如果旋转沿着相同的方向，则一个热流体管道将会在该汽车的一侧上方，并且另一个管道将在另一侧下方。如果轴沿着相反的方向旋转，则在该汽车一侧的热流体管路中的流体从上方到下方移动，并且在该汽车的另一侧的另一个热流体管道中的流体也将从上方向下方移动。换句话说，对于热换热器入口和出口，如果一个轴的旋转与另一个方向相反，当从一个轴向另一个移动时，总是具有从上方到下方的开关，反之亦然。

在先申请的发动机的第二个形式只包括一个轴和两个泵。该发动机具有一个冷换热器，该冷换热器沿着两个离心泵的中心开口之间的轴传导工作流体。热换热器从压缩机的外围输出向膨胀机的外围输入传导工作流体。

忽略损耗，发动机的能量输出是压缩机的能量输入和膨胀机的能量输出之间的净差额。由于流体被进一步加热，并且因此在压缩后膨胀，流体进入膨胀机的体积流量高于离开压缩机的体积流量。相比于被用在压缩机中，这允许流体在膨胀机中做更多工作。

当然，由于申请人应对闭合环路，并且由于一些压力损耗将会发生在换热器中，因此为了发动机的平衡，从压缩机的输入到输出的压力差应该超过从膨胀机的输入到输出的压力差。因此，相比于在膨胀机中，最好在压缩机中具有更加显著的螺旋。

热泵方面

由于没有极端变化的负荷，因此使用离心式压缩机的任意装置作为热泵是如何工作的可能更易于理解。假设申请人有可压缩流体旋转的鼓或轮。如果现在申请人促使流体从轮的中心向外围迁移，如同会发生在压缩机风扇中那样，此流体将压缩，因此提高它的温度。如果现在流体向旋转中心被送回，如同在 膨胀机风扇中那样，则流体将膨胀，因此冷却。因此在外围的温度和转子旋转中心附近的温度之间具有差异。假设热交换，则该温度差可以被使用，如在热泵中那样，并且机械能应该被添加以继续该旋转。因为相比在膨胀机中，在热泵中的流体在压缩机中以更高的流动速度在距旋转轴线相同的距离处移动，所以旋转能量应该被添加，因此使在压缩机中使用的能量大于在膨胀机中恢复的能量。说句题外话，反过来发动机正是如此。在热泵中，在膨胀之后但是在压缩之前，热量被添加到工作流体(从周围取出热量)，因为这就是热泵如何在冷却端工作的。类似地，在膨胀之前，在温暖的外围处，热量从工作流体中移除到周围。热量的添加和移除影响体积流量而不是质量流量。体积流量影响流体速度，并且因此影响它的动量变化，并且因此影响在叶片上的压力。当然，流体流动穿过的横截面可以更大，因此采用相同的压力在叶片上施加更多的作用力。

压力和旋转惯性力(G force)的考虑

发动机或热泵可以通过被保持在多个大气压下的工作流体操作，通常大约100大气压。它也可以在非常大的旋转惯性力下被操作。如果压缩机在接近7:1的压力比下被操作，则该比值的大部分由惯性力造成。压力比的另一个大的部分是由于螺旋叶片采用径向构件推动流体。当叶片试图增加或减小分别在压缩机或膨胀机中的流体的角动量时，该推动通过惯性效应造成。此应用的其余部分将参考申请人的新发明。

附图简要说明 

图1示出四个离心泵，成对的离心泵在轴附近、在流动的意义上被连接。在轴附近的流导向件将一个泵中的径向运动转化为轴向运动，并且继而将轴向运动转化为在第二个泵中的径向运动。

图2示出流导向件和一对泵的关联泵部件的放大图。它也显示成对泵之间的滚珠轴承。

图3和4示出截面A-A、B-B、C-C和D-D。这些附图显示泵转子的叶片和转子旋转方向，以及用于多级膨胀机的气体的流动。

图5示出在多级膨胀机中，具有径向向外的流的膨胀机如何在它们的外围与具有径向向内的流的膨胀机连接。

图6也示出在多级膨胀机中，具有径向向外的流的膨胀机如何在它们的外围与具有径向向内的流的膨胀机连接，但是轴沿着相反的方向旋转。

图7示出相比于图2中的流导向件组更圆的流导向件组。

图8示出在轴处的流导向件处从燃烧器进入的流。没有附图绘制流如何在泵的外围从燃烧器进入。

图9示出防止轴相对于壳体移动的轴承。

图10和11示出截面J、K、L和M，其中流和叶片旋转，以用于多级压缩机。

图12示出类似于图1中离心泵的四个离心泵。截面J、K、L和M将显示用于多级压缩机的流和叶片旋转。

本发明的详细说明

首先，申请人将描述被用作膨胀机的一系列离心泵。一半的泵具有从外围向轴移动的流。另一半的泵具有从轴附近向外围移动的流。可以具有两者中任一流类型的一个额外的泵。后续申请人将介绍此多级膨胀机或者作为内燃机部分的任意多级膨胀机的使用。在那之后，申请人将介绍它在外部加热式发动机中的使用。在轴向和径向流间转换的流引导件也将被讨论。最终被用作压缩机的一系列离心泵将被描述。一半的这些压缩机泵具有从外围向轴移动的流。另一半的压缩机是传统的，具有从轴向外围移动的流。该移动当然是在螺旋路径上。

需要说明的是，词语“膨胀机”包括在流动穿过膨胀机的气体中的热能和压力能、和流惯性能量被转化为机械能的概念。在离心式膨胀机的情况中，机械能被转子接收，该转子由穿过膨胀机的气流推动。离心泵和转子可以由另一个机械装置替代，比如活塞。气体的温度经常在进入和离开膨胀机之间的期间下降。气体经常在膨胀机中膨胀。气体速度可以在进入和离开膨胀机之间的期间增加。离心式膨胀机被定义为被操作为膨胀机的离心泵。在以前的技术中，离心泵主要被看作压缩机。

图1示出可行但简化的形式的一组连续的离心式膨胀机。泵10和泵20是两个离心泵，在此情况中是膨胀机。通过在沙漏形、基本平行的流导向件51间的路径，泵10和泵20在轴50附近的中心在流动意义上被连接起来。流导 向件主要局部地大致平行，但是在它们之间的距离可以随位置稍微变化。在此情况中，流导向件将流分成几个不同的路径。流导向件随轴旋转，并且通过在最邻近的流导向件间延伸的、未显示的支撑件被彼此连接，并且可以被用来维持流的旋转。一些支撑件也从轴向最邻近的流导向件延伸。图2是图1的右侧的中心的放大图。图7是图2的改进，显示各自具有较大回转半径的较好的流导向件。

图3和4中的箭头示出来自泵10的外围、沿着流导向件51流动并且流到泵20的外围的流的流动方向。图3和图4分别是图1的截面A和截面B。被附接到盘形件13和14以及被附接到盘形件23和24的翼的螺旋在图3和4中也被分别地显示。盘形件13和23被附接到轴50，并且随轴50旋转。盘形件和翼和流导向件的所有旋转方向是由图3的中心附近的小箭头和图4的中心附近的小箭头所示的顺时针方向。因为盘形件13和23被附接到轴50，所以它们以与流导向件51相同的速率旋转。例如，盘形件13被附接在位置17。因为旋转通过翼(有时称作叶片)从盘形件13和23传输，所以盘形件14和24旋转。叶片从一个盘形件向另一个延伸，并且因此形成从轴附近到外围附近延伸的通道。

需要说明的是，在图3、4、10和11中，转子的叶片被显示为从外围向中心螺旋的线。由于流的原因，在所示的叶片之间，尤其是在外围附近，引进更多的叶片是有利的。为了防止由于离心力和叶片曲率造成的涡流，如果叶片没有在移动，叶片间的距离应该大约是叶片曲率半径的十分之一，但是如果叶片造成离心力则距离更大。例如，一组新的叶片应该被添加在到外围的中途，从中途位置到盘形件的外围延伸。这在图3和4中被显示，但是没有显示在图10和11中。事实上，在到中心的所有距离处添加更多的叶片都是有利的。由于叶片的厚度和重量，这有实际应用的限制。由于离心力倾向于将转子拉开，重量限制最终的速度。在更多叶片的优点的进一步解释中，叶片移动并且对流体产生离心力。该作用力与半径(等于到轴中心的距离)成比例。该成比例的作用力使得在外围附近的额外叶片更加重要。

同样需要注意的是，因为在距离轴特定距离处的每单位距离的压缩率与半径成比例，内部的第三个转子仅仅提供压缩效应的九分之一。这是因为作用力 与半径成比例。因此，如图7中所示，内部第三个流体流动间隙可以被分配为形成从径向内侧流到径向外部流的和缓的转折。

需要说明的是，例如在图1中的盘形件虽然显示为平坦的、既不是凹入的也不是凸起的，但是可以呈不同的形状。例如，在盘形件靠近中心时，它们可以彼此偏离。在盘形件靠近外围时，它们可以彼此偏离。一对盘形件可以在它们靠近中心时都趋向于流导向件的方向，因此使得流导向件区域中的流体方向的改变减少。

应当说明的是，盘形件被连接到翼的侧面的相对侧面可以是隔热的，以将热量保持在流动区域中。当然，所有的部件可以是隔热的，以阻止由于热传递、尤其是沿着盘形件或翼的热传递造成的损失。

流导向件的部分的紧密的间隔阻碍湍流，并且研究已确定了最佳的间隔。流体路径的曲率半径和跨过流体的间距之间的10:1的比率是很足够的，该间距位于接触相比自身更靠近轴的流体的流导向件部件与接触相比自身进一步远离轴的流体的流导向件部件之间。上述的一个例子是管，相比于接触的液体，所有管具有更靠近轴的部分以及更远离轴的部分。如果申请人谈论类似于薄片的流体导向件，可能在厚度上有一些变化，则间隔指的是薄片之间的间隔。如果申请人谈论使用管作为导向件，则跨过在流导向件部件之间的流的间隔指的是管的内径。

图1是围绕轴50对称，所以在底部的部件的数目与在顶部的数目相同。泵的壳体包括能够连接的一组部件。部件15用于泵10，该部件15没有被附接到轴但是在位置16非常靠近轴，其中压力密封可以被放置。部件15也伸长越过外围、在图的顶部和底部。泵10和泵20公共的壳体部件60从外围延伸到靠近到流导向件的最近位置、在盘形件14和24上。盘形件14和24通过在沙漏形流导向件附近的部件61被连接在一起。部件11和21是环，以抑制流从外围附近到轴附近流到盘形件外部。将在盘形件和壳体之间延伸的环设置的优选的、第二位置是轴附近，如图1和2所示，但是在附图中存在许多干扰，所以那些内部环没有被编号。如果摩擦不显著，则环可以接触两个表面，并且润滑剂可以被添加。如果流靠近轴，它可能沿着轴到另一组泵，例如，泵30和40。部件12和22是环，以抑制流进入盘形件14和部件60之间和盘形件 24和部件60之间的空隙，因此在泵10和泵20之间移动。这些环12和22可以被移动为更加靠近轴，因此每次接触产生更少扭矩并且产生更小的环长度。需要说明的是，所有的盘形件通过充气的空隙与壳体分离。因此，对于被附接到盘形件并且位于盘形件之间的叶片以及盘形件自身，几乎没有移动部件在壳体附近。盘形件具有圆对称性，并且因此它们的旋转将不会造成显著的涡流。同样应当记住，在当前的讨论中，词语“泵”应用于膨胀机。

当然，部件60可以是两个单独的平行部件。壳体也可以被形成为在它们之间具有垫圈并且通过螺钉装在一起的两个或多个部件。垫圈可以与轴50平行，从而整个旋转组件可以被移除、翻新和替换。

图2示出图1的放大的部分，该部分在右侧、以轴50为中心。它显示壳体与轴50分离的位置16。它也显示位置17，在此处盘形件13被附接到轴。图2的左边，具有包括一组轴承的截面E，以致轴可以在静止的壳体中旋转。轴承组和它的壳体是部件80，其后续在图9中被进一步定义。此部件被牢固地连接到壳体部件25，并且被牢固地连接到在下一组泵30和40上的它的对应部件。泵30和40能够以与泵10和20相同的方式被描述。

虽然泵被绘制成完全相同，但是泵可以在尺寸上、主要在盘形件间的距离上变化，以允许工作气体在它冷却时的收缩。同样，径向尺寸可以变化，以在连续的泵中将压降比率保持为类似大小。工作气体的一种访问顺序可以是从C处输入到D到A，以在B处输出。、A、B、C和D指的是不同泵的截面。为了简明起见，申请人通过它们的截面命名泵。另一种方式是输入发生在泵30的外围。流然后流向中心，并且返回到泵40的外围。流然后流向泵10的外围。流然后流向中心并且返回到泵20的外围。中心是最靠近轴的位置。

另一个顺序是在A处输入到B到C，并且在D处输出。第一顺序为一个泵组(两个)在它们的外围连接到另一组(两个)给予更多的距离。因为在相同轴上的所有泵转子都顺时针旋转，或者所有都反方向旋转，所以在外围处进入下一个泵组之前，在一个泵组的外围的输出气体需要旋转180度。这也可以通过观察在泵D和A或B和C的外围处的箭头方向在图3和4中看到。

如果两个或更多轴被使用，则如果如图5中那样两个轴都顺时针旋转，则如图5中所示，气体可以在各自轴上的泵之间移动。如果由于回转的原因，你 更愿意使轴沿着相反的方向旋转，则气体可以如图6中所示那样移动以及连接，以即使在比如B和D的截面中的转子逆时针方向旋转时，流也均顺时针旋转，该旋转与气体的惯性旋转相反，因为角动量守恒。如果四个轴被使用，则发动机将会非常紧凑，可能在每组中具有成四组的16个泵。四个泵的组被显示在图1中。如果观察绝热膨胀公式，则相比于单原子气体(比如氩)所需要的，三原子气体需要四倍的级，给予四倍压力比，以得到相同的三原子气体总温度比，该三原子气体比如CO₂。因为N₂是空气的80％，申请人更关心双原子气体。相比单原子气体(比如氩)所需，双原子气体需要两倍的级，给予两倍的压力比，以得到相同的双原子气体的总温度比，该双原子气体比如N₂。

例如，每级的压缩比见压缩机创建者Elliott的网站。申请人不允许说出使用正常的钢构造需要多少及以达到用于氩的6:1的压缩比或者用于空气的12:1的压缩比，但是在他们的网站上有应用程序，Elliott-turbo，以计算推荐的级的数目。对于申请人的级，每次工作气体从外围到中心时以及每次工作气体从中心到外围时，申请人得到有效的膨胀或压缩。Elliot设计只在从中心到外围的路径得到压缩，并且气体然后沿着固定通道被返回到中心。通过足够的级，任意的压缩比可以被达到。一个目标是在各个级产生温度比并且最终得到2或更大的温度比。这将转化为50％的效率、负损耗。膨胀比在相反的方向近似得到2:1的温度比。再次通过绝热公式，在氩中需要6:1的压力比并且在空气中需要12:1的压力比以得到2:1的温度比。

应当注意的是，图1可以左侧或右侧继续，添加更多的泵和“滚珠”轴承结构。轴承不需要是滚珠，但是可以是圆柱体或可以是磁性或液压轴承等等。

图7是图2的改进，并且显示一组流导向件151代替流导向件51，并且圆形连接器161代替直式连接器61，以连接盘形件14和24。两个泵共同的壳体部件现在被称作部件160。该改进使得在轴附近流动期间减少压力损失。

现在参考图8，申请人将讨论使用内燃机以产生加热的气体的发动机，或者使用压缩空气或太阳能以产生加热的气体的发动机，加热的气体被继而引入发动机的多级膨胀机部件。需要注意的是，即使通过燃烧热量被产生，加热的气体的上部的温度也可以被调节。例如，如果被压缩的空气被引进，则使用比需求更多的空气用于燃烧，如同如果混合物是贫料时发生的那样，可以在将气 体导入膨胀机中之前降低气体温度。由于发动机效率依赖于温度比，则用于50％效率的必要温度将稍微大于大气温度两倍。为了更优于50％的效率，输入温度和膨胀级的数目可以被增加。添加更多的空气可以实际上增加效率，因为O2和N2是二原子的，相比于三原子气体需要较小的压缩比，以在绝热膨胀中获得相同的温度改变。CO₂和H₂O是三原子的并且是燃烧的产物。同样对于给定数量的膨胀机，对于较低的开始和结束温度，丢失的热量将大大减少。

新的膨胀机在上面被讨论并且被显示在首先的七张图中。如果需要，加热的气体的源可以造成流进入轴附近。例如，在图1中，泵10可以被移除，并且流导向件51的右半部将被除去。如图8中所示，流将朝向左侧移动进入在流导向件的剩余半部之间的路径。

图8显示中心的新形态，对应图7，加热的气体从右侧被导入。图7相似于图1的中心和右侧部分。在图8中，部件176和175是燃烧气体源或加热气体源的部件。源178可以类似于小的喷射发动机，或者它可以简单是具有喷射燃料和空气的机构的燃烧室，或者它可以是燃烧加压的气体的任意源。可选的，源178可以是加压的空气被注入、并且通过太阳能机构或通过使用来自核反应器的流的热交换或者通过其他方式加热空气的源。部件175被附接到壳体部件160，部件175是泵壳体的一部分。部件160是两个泵壳体的公共部件，但是一个泵已经被移除以被燃烧气体源178替代。部件124是转子的右侧盘形件。箭头显示燃烧气体从源178进入流体导向件151。尖形分流器179被附接到轴，以使从源到导向件的流平缓。部件176被添加以使得到导向件的流平缓，并且也可以使部件175与强热隔离。图8只是发动机的一部分并且在左侧、右侧、朝向图8的顶部和底部连续。图8主要显示燃烧气体如何进入发动机。

如果需要，加热的气体可以在泵之一的外围进入。外围和开口被显示在图3中，其中流从外围向轴移动。需要说明的是，图3中的箭头显示在图的顶部处，流在外围处切线地进入。燃烧气体的源不被显示，但是将以明显的方式被连接到在泵级的外围的管。

被供给加热加压气体的多级泵包括多个被连续连接的单级泵，并且被使用在上面描述的发动机中，但不需要与申请人的类似。它可能更类似于被显示在Elliott-turbo网站上的泵，其只在气体在朝向外围移动时膨胀的途中产生能量。 在Elliott-turbo网站的泵中，在下一级之前，返回到中心的途中不产生输出能。同样需要说明的是，Elliott网站的泵，也被称为压缩机，是压缩机不是膨胀机。然而，反之，压缩机可以与一些额外的技术装备一起使用，以产生膨胀机。

在离开图8之前，应该提到的是，气体从右侧轴向地被注入，意味着流平行于轴，如果存在径向运动则也会较小，径向运动意味着运动垂直于轴。气体通过流导向件151被引导，以致离开流导向件的气体具有小的或零轴向运动而移动，但是具有显著的径向螺旋运动。需要说明的是，各个导向件具有大量的表面积。作为一组的导向件可以被描述为包括几个局部地平行于彼此放置的固体近刚性薄板的机构，该机构起到将轴向流转化为基本径向的螺旋流的作用。

类似地，图7显示在右半部分被切掉之前的流导向件151的组。没有被切除的流导向件将从一个泵基本朝向轴注射的气流转化为基本沿着轴的气流，并且继而转化为沿着大体径向的方向基本朝向第二个泵的外围离开导向件的气流。在这种情况下，导向件可以被描述为包括几个局部地彼此平行放置的固体近刚性板的机构，该机构起到将基本径向的螺旋流转化为轴向流并且继而转化为基本径向的螺旋流的作用。该移动首先朝向轴，并且然后最终远离轴。

图9显示出许多可能的截面E的其中之一。环81是两个泵壳体之间的桥接部件，并且被牢固地附接到壳体。环81可以是环的两个半部，由于壳体也可能是由平行于轴的垫圈分离并且螺栓连接在一起的两个半部。环82是滚珠轴承的座圈，并且被附接到环81。滚珠轴承83在座圈中运行并且也与轴接触。包括环82和轴承83的组件类似于当前能够被制造的许多滚珠轴承组件。轴向和径向作用力以及哪种类型的座圈被附接到轴将留给工程师。如前面叙述的其他类型的轴承组件可以被使用，包括磁性轴承组件。为了清晰说明功能，申请人选择显示滚珠轴承以致附图可以被理解而不需要语言。

现在申请人将讨论多级压缩机。图10和11是图12中所示的多级压缩机中的泵级部件的截面。整个多级压缩机与图1中所示的多级膨胀机类似。需要注意的是，除了以下内容之外，图10和11是图3和4的副本。流动和旋转箭头沿着不同的方向，并且额外的叶片没有被添加在外围，并且附图名称不一样。可以有额外的叶片被添加。图12显示多级压缩机的泵壳体、流导向件和翼支撑盘形件，而不是翼。因此，除了截面由不同的字母表示，图12几乎与图1 相同。

现在申请人将讨论离心式压缩机，一些离心式压缩机具有如现有技术中那样从中心移动到外围的流。一些其他的新技术离心式压缩机具有从外围移动到中心的流。压缩机的主要特性是它将机械能转化为在气体中的能量，该气体中的能量部分地为热能、部分地超过周围环境的压力，并且部分地为流动穿过压缩机的气体的流动速度能量。在进入和离开压缩机间的期间中，气体的温度经常上升。气体经常在压缩机中收缩，因此叫做压缩机。

图12显示可行的但是简化的一组连续的离心式压缩机形式。由于绘制的相同的部件可以被使用在压缩机或膨胀机中，因此附图标记与图1中相同。泵10和泵20是两个离心泵。在这种情况下，泵是压缩机。泵通过沙漏形的流导向件51间的路径而在轴50附近的中心处在流动的意义上被连接。流导向件随轴旋转，并且通过没有被示出的、在最接近的流导向件间延伸的支撑件被彼此连接，并且可以、但是不必要地被用于维持流的旋转。一些支撑件也从轴到最接近的流导向件延伸。图2是图12右侧中心的放大。图7是图2的改进，显示优选的流导向件。

在图10和11中的箭头显示从泵10的外围、沿着流导向件51穿过并且流到泵20的外围的流的流动方向。图10和图11分别是图12的截面J和截面K。被附接到盘形件13和14以及被附接到盘形件23和24的叶片的螺旋也分别在图10和11中显示。盘形件13和23被附接到轴50并且随轴50旋转。如图10的中心附近的小箭头和图11的中心附近的小箭头所示，盘形件、叶片以及流导向件的所有旋转方向都是逆时针方向。因为盘形件13和23被附接到轴50，所以它们以与流导向件51相同的速率旋转。例如，盘形件13在位置17被附接。盘形件14和24旋转，因为旋转通过翼(有时被称为叶片)从盘13和23被传递。叶片从一个盘形件到另一个延伸，并且因此形成从轴附近到外围附近延伸的通道。

流导向件的近间距阻止湍流，并且研究已经确定了最佳间距。流动路径的曲率半径和流导向件间的间距之间10:1的比率是非常足够的。图1是围绕轴50对称的，从而在底部的部件的附图标记与顶部的附图标记相同。图1的泵壳体和其他方面的讨论适用于图12。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种多级离心式膨胀机，包括被用作膨胀机的至少一组连续的离心泵，

来自所述组的第一元件的大部分输出流最终流入所述组的第二元件中，所述组的各个元件将其大部分，如果不是全部，输出流最终发送到该元件的后继者中，直到顺序中的最后一个元件，

所述组的至少一个泵具有在其中移动的大多数流，该流从更靠近所述一个泵的外围向内螺旋运动至更靠近所述组的所述一个泵的转子的旋转轴线，

使得基本所有所述流的围绕所述旋转轴线的角速度沿与所述转子的角速度相同的方向的机构，所述流从由所述转子掠过的空间的外侧进入，两个方向为顺时针方向和逆时针方向，两个角速度各自充分大，

连续的离心泵的所述组的至少一个其他的泵具有在其中移动的大多数流，该流从更靠近该其他的泵的转子的旋转轴线向外螺旋运动至更靠近该其他的泵的外围，

相对于所述其他的泵的转子翼的角速度，在由所述其他的泵的所述转子掠过的空间的附近但是基本上外侧，所述其他的泵使得围绕所述其他的泵的所述旋转轴线的大部分所述流的角速度沿相反方向，两个方向为顺时针方向和逆时针方向，流和转子翼的两个角速度各自分别充分大，并且各自围绕所述旋转轴线，但是如上所述沿着相反的方向。

2.根据权利要求1所述的多级离心式膨胀机，其中，所述至少一个泵的转子和所述至少一个其他的泵的转子在相同的轴上。

3.根据权利要求1所述的多级离心式膨胀机，其中，膨胀机被用于使用热气的膨胀将热能转换为机械运动能。

4.一种多级离心式压缩机，包括至少一组连续的、被用作压缩机的离心泵，

来自所述组的第一元件的大部分输出流最终流入所述组的第二元件中，所述组的各个元件将其大部分，如果不是全部，输出流最终发送到该元件的后继者中，直到顺序中的最后一个元件，

连续的离心泵的所述组的至少一个泵具有在其中移动的大多数流，该流从更靠近所述组的所述一个泵的外围向内螺旋运动至更靠近所述组的所述一个泵的转子的旋转轴线，

使得大部分所述流的围绕所述旋转轴线的角速度沿与所述轴的角速度相反的方向的机构，所述流从由所述转子掠过的空间的外侧进入，两个方向为顺时针方向和逆时针方向，两个角速度各自充分大，

连续的离心泵的所述组的至少一个其他的泵具有在其中移动的大多数流，该流从更靠近该其他的泵的转子的旋转轴线向外螺旋运动至更靠近该其他的泵的外围，

相对于所述其他的泵的转子翼的角速度，在由所述其他的泵的所述转子掠过的空间的附近但是基本上外侧，所述其他的泵使得围绕所述其他的泵的所述旋转轴线的所述流的角速度沿相同方向，两个方向为顺时针方向和逆时针方向，流和转子翼的两个角速度各自分别充分大，并且各自围绕所述旋转轴线，但是如上所述沿着相同的方向。

5.根据权利要求4所述的多级离心式压缩机，其中，所述至少一个泵的转子和所述至少一个其他的泵的转子在相同的轴上。

6.一种用于使用热气的膨胀将热能转换为机械运动能的发动机，所述发动机包括：

多级离心式膨胀机，并且进一步包括：

将热气引入膨胀机中的机构，热气被加压，引入的热气在穿过膨胀机之后离开发动机。

7.根据权利要求6所述的发动机，其中，加压的所述热气通过燃烧而被产生。

8.根据权利要求6所述的发动机，其中，加压的热气通过使用换热器从外部源获取热量而被产生，例如通过太阳能加热产生。

9.根据权利要求6所述的发动机，其中，从多级膨胀机外侧、相比膨胀机泵的外围在更靠近膨胀机泵的轴的位置，加压的热气被引入所述多级离心式膨胀机。

10.根据权利要求6所述的发动机，其中，从膨胀机外侧、相比膨胀机泵的轴在更靠近膨胀机的外围的位置，加压的热气被引入所述多级离心式膨胀机。

11.一种用于在热能和运动能之间转换的装置，该装置例如热泵和发动机，包括：

多级离心式膨胀机，所述膨胀机包括一组被用作膨胀机的连续的离心泵，

来自所述组的第一元件的大部分输出流最终流入所述组的第二元件中，所述组的各个元件将其大部分，如果不是全部，输出流最终发送到该元件的后继者中，直到顺序中的最后一个元件，

所述组的至少一个泵具有在其中移动的大多数流，该流从更靠近所述组的所述一个泵的外围向内螺旋运动至更靠近所述组的所述一个泵的转子的旋转轴线，

使得基本所有所述流的围绕所述旋转轴线的角速度沿与所述转子的角速度相同的方向的机构，所述流从由所述转子掠过的空间的外侧进入，两个方向为顺时针方向和逆时针方向，两个角速度各自充分大，

连续的离心泵的所述组的至少一个其他的泵具有在其中移动的大多数流，该流从更靠近该其他的泵的转子的旋转轴先向外螺旋运动至更靠近该其他的泵的外围，

相对于所述其他的泵的转子翼的角速度，在由所述其他的泵的所述转子掠过的空间的附近但是基本上外侧，所述其他的泵使得围绕所述其他的泵的所述旋转轴线的大部分所述流的角速度沿相反方向，两个方向为顺时针方向和逆时针方向，流和转子翼的两个角速度各自分别充分大，并且各自围绕所述旋转轴线，但是如上所述沿着相反的方向，

所述装置进一步包括多级离心式压缩机。

12.根据权利要求11所述的装置，其中，被用作膨胀机的连续的离心泵的所述组的转子在相同的轴上。

13.根据权利要求11所述的装置，其中，被用作膨胀机的连续的离心泵的所述组的转子和所述多级离心式压缩机的转子在装置中均被气体的流环绕，所述流是单向的，并且可能通过使用穿过至少一个离心泵的连通路线使流的所有部分彼此连通。

14.一种用于在热能和运动能间转换的装置，该装置例如热泵和发动机，包括：

多级离心式压缩机，其包括一组被用作压缩机的连续的离心泵，

来自所述组的第一元件的大多数输出流最终流入所述组的第二元件中，所述组的各个元件将其大部分，如果不是全部，输出流最终发送到它的后继者中，直到顺序中列的最后一个元件，

连续的离心泵的所述组的至少一个泵具有在其中移动的大多数流，该流从更靠近所述组的所述一个泵的外围向内螺旋运动至更靠近所述组的所述一个泵的转子的旋转轴线，

使得大部分所述流的围绕所述旋转轴线的角速度沿与所述转子的角速度相反的方向的机构，所述流从由所述转子掠过的空间的外侧进入，两个方向为顺时针方向和逆时针方向，两个角速度各自充分大，

连续的离心泵的所述组的至少一个其他的泵具有在其中移动的大多数流，该流从更靠近该其他的泵的转子的旋转轴线向外螺旋运动至更靠近该其他的泵的外围，

相对于所述其他的泵的转子翼的角速度，由所述其他的泵的所述转子掠过的空间的附近但是基本上外侧，所述其他的泵使得围绕所述其他的泵的所述旋转轴线的大部分所述流的角速度沿相同方向，两个方向为顺时针方向和逆时针方向，流和转子翼的两个角速度各自分别充分大，并且各自围绕所述旋转轴线，但是如上所述沿着相同的方向，

所述装置进一步包括多级离心式膨胀机，

来自所述多级离心式压缩机的大部分输出最终进入所述多级离心式膨胀机。

15.根据权利要求14所述的装置，其中，用作压缩机的连续的离心泵的所述组的转子在相同的轴上。

16.根据权利要求14所述的装置，其中，用作压缩机的离心泵的所述组的转子和所述多级离心式膨胀机的转子在装置中都由气体的流围绕，所述流是单向的，并且可能通过使用穿过至少一个离心泵的连通路线使流的所有部分彼此连通，

来自所述多级离心式膨胀机的大多数输出最终进入所述多级离心式压缩机。

17.一种包括流导向件的组的装置，该导向件为近刚性固体，其为具有转子的较大装置的部件，

导向件有助于在基本平行于轴、几乎没有流垂直于所述转子的轴移动的状态和流基本围绕轴螺旋的状态之间，改变气体的流的方向，

导向件被用于执行流动方向变化、相比如果流导向件被移除具有更少的涡流，因此使得流使用更少的通道。

18.根据权利要求17所述的装置，其中，流导向件的所述组基本呈薄片状。

19.根据权利要求17所述的装置，其中，流导向件的所述组主要局部地基本平行于最接近的邻近导向件。

20.根据权利要求17所述的装置，其中，流导向件的所述组类似于局部平行于所述气体的优选流动管路延续的管的组。

21.根据权利要求17所述的装置，其中，流导向件的所述组被附接到所述轴，并且因此随轴旋转。

22.根据权利要求17所述的装置，其中，所述气体的流首先大致朝向轴螺旋运动，并且所述气体的流进入流导向件的所述组的区域，该流导向件有助于将螺旋运动转换为轴向运动，该区域本质上基本平行于轴。

23.根据权利要求17所述的装置，其中，所述气体的流首先处于基本平行于轴的轴向运动状态中，并且

继而所述气体的流进入流导向件的所述组，流导向件有助于将基本平行于轴的轴向运动转换为基本螺旋离开轴的运动。

24.根据权利要求17所述的装置，其中，所述气体首先基本朝向轴螺旋运动，并且该气体进入流导向件的所述组，流导向件有助于将螺旋运动转化为平行于轴的轴向运动，

并且继而导向件也进一步有助于将气体的基本平行于轴的轴向运动转换为基本螺旋离开轴的运动，

可能通过使用穿过至少一个离心泵的连通路线使流的部分彼此连通，

词语“连续的”被添加以更充分地重新提及连续的泵。

说明或声明(按照条约第19条的修改)

在描述多级膨胀机的权利要求1和11中，“使得……角速度……的机构……”的三行描述被添加以与专利权人为Zerrer.Quoting Zerrer的、英国专利1506281的第6页第77-78行“扩散器叶片用于移除所有的切向速度”区分。该专利然后将流向内发送到离心泵，而没有切向速度。

如图3中所示，申请人采用有用的切向速度将流发送到离心泵中，沿合适的方向引导以增加转子的能量。因此，本申请中的流具有围绕转子的轴或旋转轴线的角速度。当流向内朝向轴移动时，角动量减小，因此给予转子有用的转矩。

在描述多级压缩机的权利要求4和14中，“使得……角速度……的机构……”的三行描述被添加以与专利权人为Zerrer.Quoting Zerre的、英国专利1506281的第6页第77-78行“扩散器叶片用于移除所有的切向速度”区分。该专利然后将流向内发送到离心泵，而没有切向速度。

如图10中所示，申请人采用有用的切向速度将流发送到离心泵中，沿合适的方向引导以增加压缩，同时转子添加压缩并且减慢流动。因此，本申请中的流具有围绕转子的轴或旋转轴线的角速度。当流向内朝向轴移动时，角动量减小，因此给予有用的压缩。在此级中流速也减小，以为在新转子的旋转轴线附近启动流的下一个泵准备。

Claims (24)

1.一种多级离心式膨胀机，包括用作膨胀机的至少一组连续的离心泵，

来自所述组的第一元件的输出流流入所述组的第二元件中，所述组的各个元件将该元件的输出流发送到该元件的后继者，直到顺序中的最后一个元件，

所述组的至少一个泵具有在其中移动的大多数流，该流从更靠近所述组的所述一个泵的外围向内螺旋运动至更靠近所述组的所述一个泵的转子的轴，

所述组的至少一个其他的泵具有在其中移动的大多数流，该流从更靠近该其他的泵的转子的轴向外螺旋运动至更靠近该其他的泵的外围。

2.根据权利要求1所述的多级离心式膨胀机，其中，所述至少一个泵的转子和所述至少一个其他的泵的转子在相同的轴上。

3.根据权利要求1所述的多级离心式膨胀机，其中，膨胀机被用于使用热气的膨胀将热能转化为机械运动能。

4.一种多级离心式压缩机，包括一组连续的、被用作压缩机的离心泵，

来自所述组的第一元件的输出流流入所述组的第二元件中，所述组的各个元件将该元件的输出流发送到该元件的后继者，直到顺序中的最后一个元件，

离心泵的所述组的至少一个泵具有在其中移动的大多数流，该流从更靠近所述泵的外围向内螺旋运动至更靠近所述泵的转子的轴，

离心泵的所述组的至少一个其他的泵具有在其中移动的大多数流，该流从更靠近该其他的泵的转子的轴向外螺旋运动至更靠近该其他的泵的外围。

5.根据权利要求4所述的多级离心式压缩机，其中，所述至少一个泵的转子和所述至少一个其他的泵的转子在相同的轴上。

6.一种用于使用热气的膨胀将热能转化为机械运动能的发动机，所述发动机包括：

多级离心式膨胀机，并且进一步包括：

将热气引入膨胀机中的机构，热气被加压，引入的热气在穿过膨胀机之后离开发动机。

7.根据权利要求6所述的发动机，其中，加压的所述热气通过燃烧而被产生。

8.根据权利要求6所述的发动机，其中，加压的热气通过使用热交换器从外部源获取热量而被产生，例如通过太阳能加热产生。

9.根据权利要求6所述的发动机，其中，从多级膨胀机外侧、相比膨胀机泵的外围在更靠近膨胀机泵的轴的位置，加压的热气被引入所述多级离心式膨胀机。

10.根据权利要求6所述的发动机，其中，从膨胀机外侧、相比膨胀机泵的轴在更靠近膨胀机的外围的位置，加压的热气被引入所述多级离心式膨胀机。

11.一种用于在热能和运动能之间转换的装置，该装置例如热泵和发动机，包括：

多级离心式膨胀机，所述膨胀机包括一组被用作膨胀机的离心泵，来自所述组的第一元件的输出流流入所述组的第二元件中，所述组的各个元件将该元件的输出流发送到该元件的后继者，直到顺序中的最后一个元件，

所述组的至少一个泵具有在其中移动的大多数流，该流从更靠近所述组的所述一个泵的外围向内螺旋运动至更靠近所述组的所述一个泵的转子的轴，

所述组的至少一个其他的泵具有在其中移动的大多数流，该流从更靠近该其他的泵的转子的轴向外螺旋运动至更靠近该其他的泵的外围，

所述装置进一步包括多级离心式压缩机。

12.根据权利要求11所述的装置，其中，被用作膨胀机的离心泵的所述组的转子在相同的轴上。

13.根据权利要求11所述的装置，其中，被用作膨胀机的离心泵的所述组的转子和所述多级离心式压缩机的所述转子在装置中均被气体的流环绕，所述流是单向的，并且可能通过使用穿过至少一个离心泵的连通路线使流的所有部分彼此连通。

14.一种用于在热能和运动能间转换的装置，该装置例如热泵和发动机，包括：

多级离心式压缩机，其包括一组被用作压缩机的离心泵，来自所述组的第一元件的输出流流入所述组的第二元件中，所述组的各个元件将该元件的输出流发送到该元件的后继者，直到顺序中的最后一个元件，

所述组的至少一个泵具有在其中移动的大多数流，该流从外围向泵转子的轴移动，

所述组的至少一个其他的泵具有在其中移动的大多数流，该从泵转子的轴附近向泵的外围移动，

所述装置进一步包括多级离心式膨胀机。

15.根据权利要求14所述的装置，其中，用作压缩机的离心泵的所述组的转子在相同的轴上。

16.根据权利要求14所述的装置，其中，用作压缩机的离心泵的所述组的转子和所述多级离心式膨胀机的转子在装置中都由气体的流围绕，所述流是单向的，并且可能通过使用穿过至少一个离心泵的连通路线使流的所有部分彼此连通。

17.一种包括流导向件的组的装置，该导向件为近刚性固体，其为具有转子的较大装置的部件，

导向件有助于在基本平行于轴、几乎没有流垂直于所述转子的轴移动的状态和流基本围绕轴螺旋运动的状态之间，改变气体的流的方向，

导向件被用于执行流动方向变化、相比如果流导向件被移除具有更少的涡流，因此使得流使用更少的通道。

18.根据权利要求17所述的装置，其中，流导向件的所述组基本呈薄片状。

19.根据权利要求17所述的装置，其中，流导向件的所述组主要局部地基本平行于最接近的邻近导向件。

20.根据权利要求17所述的装置，其中，流导向件的所述组类似于局部平行于所述气体的优选流动管路延续的管的组。

21.根据权利要求17所述的装置，其中，流导向件的所述组被附接到所述轴，并且因此随轴旋转。

22.根据权利要求17所述的装置，其中，所述气体的流首先大致朝向轴螺旋运动，并且所述气体的流进入流导向件的所述组的区域，该流导向件有助于将螺旋运动转换为轴向运动，该区域本质上基本平行于轴。

23.根据权利要求17所述的装置，其中，所述气体的流首先处于基本平行于轴的轴向运动状态中，并且，

继而所述气体的流进入流导向件的所述组，流导向件有助于将基本平行于轴的轴向运动转换为基本螺旋离开轴的运动。

24.根据权利要求17所述的装置，其中，所述气体首先基本朝向轴螺旋运动，并且进入流导向件的所述组，流导向件有助于将螺旋运动转化为平行于轴的轴向运动，

并且继而导向件也进一步有助于将气体的基本平行于轴的轴向运动转换为基本螺旋离开轴的运动。