CN105555413A - 离心气体压缩机的方法和系统 - Google Patents

Abstract

压缩机在通向径向远处的环形容器空间的毛细管中压缩气体。离心力作用在沿径向向外移动通过毛细管的液塞之间夹带的气泡上，这些毛细管可以是径向的、切向的或连续弯曲的。压缩气体被收集在环形空间中。气-液乳状剂通过内侧乳化装置被供给到毛细管。该乳化装置可包括涡流发生器、喷射器或文丘里注射器，所有这些都将气-液混合物供给到毛细管的内侧端。毛细管形成在一系列的盘中，这些盘同轴地堆叠且外盘端部对环形空间开放。毛细管入口可为垂直、切向或可限定文丘里喷射。

Description

离心气体压缩机的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种离心气体压缩机，一种用于在径向地通向环形收集腔的多个毛细通道中使用离心力压缩气体的方法，以及一种用于离心气体压缩的系统。

背景技术

气体压缩机用于消费市场(给篮球、玩具和轮胎充气)和工业市场(压缩空气以用于运输、为气动工具提供动力以及用于从井口为使用者分配天然气)中的很多物品。

现有技术的商用气体压缩机的效率差，主要是因为气体要被快速压缩的实用性要求。快速压缩使得几乎不可能在压缩过程中使压缩的热量消散。在压缩过程中的这种固有发热(本文中称为“C热”)相比于如果完全去除“C热”时完成同样的过程，使得所需的来自原动机的物理工作多出100％。典型地，原动机是内燃机或电动机。很少或没有去除C热的快速压缩过程被称为绝热压缩。本领域技术发展的最新水平的压缩机采用绝热或半绝热压缩循环。随着对于压缩机的最终目标压力增加，由于C热而损失的能量或功增加。

如果C热能与压缩气体一起被储存，则压缩气体的做功潜能将大致相当于压缩气体所需的功。然而，大部分的压缩气体储存在不隔热压力容器中且气体的压缩与气体的使用之间的时间使得在气体中保留热量是不现实的。因此，用以压缩气体的这50％-100％附加的功丧失或浪费了。在去除所有的C热时完成压缩被称为等温压缩。如果等温压缩可以实现，则为了从压缩气体获得相同的有用功输出所需的能量理论上可减半。换句话说，对于在能量或金钱方面的相同量的成本，可以产生两倍的压缩气体的量。从历史上看，等温压缩是不现实或不可能实现的，因为C热从压缩装置的壁被去除的时间强制要求非常缓慢的压缩循环，使得热去除可与通过压缩产生的热保持同步。

只有一种类型的现有技术压缩机展示出快速等温压缩。泰勒(Taylor)在1908年获得的第892772号美国专利公开了一种液压空气压缩机，其利用注入了以百万计的微小球状气泡的下降水柱。当下降水柱从特定高度落下时，水中的气泡被压缩。泰勒使用了70英尺(近21m)的压差头压力(约21米)，这产生了大约128psi(磅每平方英寸)(8.8bar)的压力来驱动5000-6000马力的等温压缩机。

凯勒(Keller)的第6276140号美国专利公开了一种通过涡轮发动机产生能量的装置。凯勒装置还使用通过一个漏斗形的竖直管或隧道供应的下降水以便压缩下降水中的气泡。在凯勒的降水落差(waterfalldrop)在30米到100米之间。在凯勒漏斗管的顶部处的典型直径约为2-7米，在底部处的该漏斗出口区域通常是0.7-2.0米。

里斯(Rees)的第1144865号美国专利公开了一种旋转泵、冷凝器和压缩机。然而，里斯‘865旋转泵压缩机利用具有高度弯曲形的壁的大型腔，且该腔相对于所述旋转容器不是径向的。在波拉德(Pollard)的第871626号美国专利中公开了一种涡轮空气压缩机。

方(Fong)的第2011/0030359号美国专利申请公开在963、964、959和983段中大体公开了一种离心分离机。然而，没有离心分离机的细节。斯托尔科夫(Stahlkopf)的第2011/0115223号美国专利申请公开也讨论了离心分离机。方的‘359或斯托尔科夫的‘223都没有讨论这样一种离心压缩机，其以等温方式压缩水中或液体中的气泡，以提取压缩空气或气体。

发明内容

本发明的目的是提供一种离心气体压缩机和一种用于压缩液体中夹带的气体或乳状剂或气-液混合物的方法。

本发明的另一目的是提供一种离心气体压缩机和一种本质上基本上是等温的方法。

离心气体压缩机提供了一种用于压缩液体中夹带的气体的方法。容器可绕具有多个毛细通道(capillarypassage)的轴线旋转，上述多个毛细通道径向地通向终止于大致环状的容器空间的径向外侧端。气体和液体的乳状剂供给到多个毛细管通道的径向内侧端。容器的旋转导致气泡形成在毛细通道中，且在毛细管中朝向毛细管的径向外侧端压缩气泡。压缩气泡被收集到被迫使进入到环形容器空间中的液-气混合物中。压缩机排出从环形容器空间中的气-液混合物中因浮力出现的气泡中释放的压缩气体。毛细管可以是(ⅰ)相对于容器的旋转轴大体上径向的，(ii)相对于容器的旋转轴大体上切向的，或(iii)沿容器的旋转方向向前、或者沿与容器的旋转方向相反的方向向后连续弯曲的。靠近容器的径向内侧区域的气体和液体入口排出液体和气体。每个毛细管是微通路(micro-channel)，且具有小的、大体上均匀的横截面，这引起靠近毛细管的径向内侧部的气泡的形成。在借助一个喷射器(该喷射器将气体喷射到液体中或将液体喷射到气体中)或涡流发生器的文丘里注射器将混合物供给到毛细管之前，创造形成气-液乳状剂。来自径向内侧容器腔的所得的乳状剂被供给到毛细管。

乳状剂经由以下之一被供给到毛细管：从涡流部到毛细管的大体上径向通道，从涡流部到毛细管的切向通道，或从涡流部到毛细管的文丘里效应通道。气体在等温过程中被压缩。压缩机等温地压缩被毛细管捕获的气泡。

离心气体压缩机经由单个或经由单独的入口供给气体和液体。该容器通过原动机绕其轴线旋转。径向内侧腔中的乳化装置供应气体和液体，进而将乳化的气-液混合物供给到毛细管中。乳化装置包括下述中的一个：喷射器、文丘里注射器或涡流发生器。在另一个实施例中，涡流发生器是喷射器或文丘里注射器的上游。喷射器或文丘里注射器限定流体地联接到毛细管的多个毛细入口通路。每个毛细入口通路具有纵向中心线，该纵向中心线大体上与相应的毛细管的纵向中心线对准。每个毛细管入口通路具有到径向内侧腔敞开的径向内侧末端，且入口可为：垂直于容器的旋转轴线；相切于容器的旋转轴线；或形成为文丘里效应通道的流体入口。毛细管被限定在一些盘中。这些盘彼此靠近地堆叠，与容器同轴。每个盘的径向内侧边缘限定毛细管的径向内侧末端。径向外侧盘边缘限定毛细管的径向外侧末端，并对环形容器空间敞开。

附图说明

本发明的进一步的目的和优点可以在结合附图时的优选实施例的详细描述中找到，附图中：

图1示意性示出了离心气体压缩机的一个基本实施例；

图2示意性示出了离心气体压缩机的一个基本操作以及用于压缩所夹带的气体以及液体的方法；

图3示意性示出了毛细管中夹带的被液塞分开的气泡；

图4示意性示出了本发明的另一实施例，其示出了具有少量毛细管和通道的离心气体压缩机；

图5示意性示出了用于图4中示出的压缩机的外部容器；

图6示意性示出了离心气体压缩机的又一实施例，其中容器具有叶轮盒，该叶轮盒将气液混合物供给到形成在盘中的毛细管中，其中盘沿着容器的旋转轴线同轴地堆叠以作为轮叠(wheelstack)；

图7示意性示出了具有多个径向设置的毛细通道或管的轮或盘；

图8示意性示出了一叠轮(盘)，每个盘限定一定数量的径向毛细管；

图9示意性示出了两个轮或盘的小弧段(约2-3度)以及盘中的径向毛细管或通道；

图10A和图10B示意性示出了较小直径的压缩机盘(图6到图9示出了大直径的压缩机)，其中图10A没有示出压缩机盘径向内侧的叶轮或乳化装置，也没有示出将气液混合物供给到压缩机盘的毛细管的叶轮；

图11A和图11B示意性示出了具有涡流发生器和毛细入口通路的叶轮(乳化装置)，以及通向径向设置的毛细通道或管(毛细通道主要由压缩盘限定)的入口通路；

图12示意性示出了在相对于容器的旋转轴线的切线角度具有毛细入口喷嘴的叶轮(乳化装置)；

图13A、图13B和图13C示意性说明了插入在第一毛细通路与第二毛细通路之间的文丘里喷射装置(另一乳化装置)，其中第二毛细通路通向径向设置的毛细通道；

图14示意性示出具有上游涡流发生器和喷射器喷射组或文丘里注射器组的乳化装置，其中，来自径向内侧供给腔的液体被喷射到空气或气体空间(或间隙)，随后被迫使进入示意性示出的毛细管的内侧末端；

图15A和图15B示意性示出了具有双壁筛网的另一乳化装置(图15B中的双壁筛网的外筛网壁形成为具有螺旋、突出筛网波动部分的涡流发生器，参见图15B中具有突出筛网波动部分的示意性横截面)；

图15C示意性示出了乳化装置，其中气体被供给到在固定的定子中的径向内侧空间，烧结金属或其它材料制成的筛网引起气体的乳化以及将液体供给到围绕烧结筛网的环形空间，因此乳化的气液混合物被供给到毛细管的径向内侧端口；

图16示意性示出了切向的毛细管；以及

图17示意性示出了径向地通向环形收集腔的连续弯曲的毛细管(后掠曲线或漩涡)。

具体实施方式

本发明涉及一种用于在离心气体压缩机中压缩液体中夹带的气体(诸如水中夹带的空气，或乳化的气液混合物，或液态天然气中夹带的天然气(气态)等)的方法。在整个专利说明书中，相似附图标记表示相似的物品。

理想的压缩机将力施加到球形表面使直径减小以压缩气体。与活塞或螺杆式压缩机不同，球形压缩机表面积使球体以其半径的三次幂减小。活塞的表面积保持恒定，因此需要增加的力来克服逐渐增加的气体压力。然而，在球形压缩机中，球的表面积的平方英寸数(翻译为磅每平方英寸(PSI，公制为巴))减少了体积变化的三次方根。因此，球形压缩机将几乎抵消增加的气体压力的增加的力。理想的球形压缩机不可能建造出固体机械机构，如活塞/汽缸或旋转螺杆。然而，在压力增加的陷入下降液柱中的球形空隙实现了该理想的压缩机。参见泰勒的第8927782号美国专利。

气体的气泡具有理想的球形形状，数百万的微小气泡代表气液混合物，该气液混合物具有非常大的表面积，这对促进热传递是必要的。这种气液表面区域也很接近待压缩的气体。该系统允许以与产生热量相同的速率从每个压缩气泡提取压缩的热量。因此，气泡气体压缩机实现了理想的气体压缩机类型以及在一个压缩机设计中的理想的等温除热系统。

由离心机产生的离心力可以压缩气泡。在离心场中，系统可以通过使水柱经受几千G的力来增加水柱(从径向内侧容器区域到径向外侧区域的水或液体)的重量。用于离心气泡压缩机大范围的最终压力可以通过改变设备的PRM(每分钟转数)来实现。最终压力仅由压缩机壳体的物理强度限制。没有往复运动部件，因此非常高的RPM是可能的。

不同半径(“R”)的旋转水柱的离心力使用用于实验室离心操作的G力计算公式来计算。对该创造性的离心气体压缩机的早期版本的实证检验证明，这些计算是准确的。

本发明的离心压缩机涉及作用在液体上的模拟离心力和在压力下液体中的气泡的性能。气泡由于它的浮力而趋向于上升到液体表面，该浮力是由于重力加速度导致的液体的物理重量与在空隙(气体)中物质的密度之间的差异。气泡的浮力被在气泡空隙的表面或与液体交界的界面处的阻力或摩擦力抵消(counteract，阻碍)。气泡的最终速度用斯托克斯定律(StokesLaw)计算。因此，为了使气泡下沉，下降水柱的速度(参见泰勒'772)必须超过气泡上升速度。在离心气体压缩机中，气泡的浮力被径向向内定向，朝向容器的旋转轴。为了压缩气体，气泡必须被迫径向向外移动。因此，浮力必须小于作用在气泡上的离心力，即，在旋转轴线与气泡之间的液体上的离心力必须比浮力大。

如果气体是空气，恒定体积空隙取代相同量的水，随着水的重量进一步增加，气泡的浮力也以线性方式增加，气泡远离旋转中心移动或行进。当气泡最初受到离心压缩时，当psi(巴)处于1-3ATM的范围内时，由于水的重量增加比气泡的体积减小更快的事实，可注意到起初浮力快速上升。这种现象在最初的原型测试过程中被发现。这个问题也说明迫使气泡随水径向向外侧行进并进入径向外侧容器空间的困难。因为离心压缩机的G力随着到旋转中心的距离增加，气泡浮力最初(在径向内侧区域)是最大值并随后降低。随后气泡体积开始缩小得比水的重量的增加更快。

只要沿着毛细管的纵向延伸的水流速度比气泡的最终上升速度大，则实验表明，气泡被迫“下沉”或径向向外侧移动，并进入径向外侧容器区域。在径向外侧容器区域，气泡迅速与水分离，从压缩的气-水混合物中浮现并移动到压缩气体收集容器区域。在径向外侧容器区域中的气泡由于其离心地增强的浮力从径向内侧水面(与压缩气体一起被迫使进入到径向外侧区域的水)浮现。在径向外侧容器区域中的这种快速的空气分离是离心压缩机的独特优势。由于这种浮力现象，外侧区域中的夹带和内侧区域中的气泡的初始压缩是本发明(除了别的之外)的几个重要特性中的一些。

作用在径向地通向环形收集腔的毛细管中的液体的中间塞或隐藏物上的离心力，通常是相同的，而不考虑是否：(a)毛细管是大致径向的(参见图1和图7)；或(b)毛细管相切于旋转轴线(参见图16)；或(c)毛细管是连续弯曲，但通向外侧收集室(图17)。与气泡行进时的毛细效应相比，行进的路径看起来更加不重要。

本发明的毛细管设计解决了里斯的第1144865号美国专利(离心气体压缩机)从未认定也未研究的问题。实际上，里斯'865离心气体压缩机从来没有良好地运作，也从来没有投入生产或产生合理的商业销售。里斯'865没有公开也没有讨论用于离心气体压缩机的径向排列的毛细系统。

里斯'685系统的一个问题是，没有人分析离心力场中产生的非常强大的气泡的浮力作用。事实上，这种气泡浮力属性广泛用于工业以在离心力场中旋转气液混合物并将气泡从液体中分离。气泡浮力大到使得气体未经压缩就从液体中旋转出来。

使用毛细管来设计气泡尺寸(以控制气泡直径并防止气泡的聚集)，并进一步防止压缩的气泡找到围绕径向内侧液体的路径，是除了其他特征之外的本发明的几个重要特征。毛细管中的液塞类似于活塞，其压缩中间气泡并迫使气泡移动到旋转压缩机的外周(旋转容器的径向外侧区域)。如果允许气泡相对于液体活塞的速度矢量横向地行进。在外侧收集腔，气泡逸出且其自身浮力夹带气泡朝向旋转压缩机的中心返回。在毛细通道中的气泡的这种横向运动类似于在传统压缩机中的泄漏或错误地设置活塞环。如果气泡的横向运动可被消除，则重量为气泡重量的800倍的液体活塞，将迫使气泡随液体活塞一起行进到压缩机的外周，其中离心场中的压力是最高的。

毛细管尺寸由内管直径确定，以允许气泡来密封管，并防止任何液体从气泡周围找到液体的路径。本文的毛细管或通道是微通路，尺寸为约3.0mm到约0.5mm。以这种方式，采用微通路的毛细管，气泡之上的液体(相对于气泡的径向内侧)必须迫使气泡行进毛细管的长度并在管的高压端退出，而不是让浮力迫使气泡返回到管的低压侧(该管的径向内侧区域)。本发明的离心气体压缩机的早期原型，使用450个径向设置的毛细管来探明在径向地通向一个或多个收集腔的毛细管中夹带液塞的气泡以及本离心气体压缩机的有效性。

为了阻止气泡生长超过预定直径，本发明在一个实施例中使用了大量微通路毛细管，这些微通路毛细管在物理上将最大气泡直径限制为上述管的内径。最大气泡直径或尺寸被x轴和y轴限制，其中管沿z轴纵向向外行进。优选地，毛细管的内径在整个径向范围内是均匀的。微通路通道通常是一位数毫米大小或更小，在一个实施例中，具有0.0625英寸(约1.6毫米)的毛细管以3600-4000rpm旋转，以在容器的外部区域产生120-200ATM的压力。一个问题是，气泡自然彼此结合并形成更大的气泡，从而增加移位的水体积的量，因此增大浮力。因为离心加速度导致越是远离中心，移位的水的重量越大，所以浮力由于移位的水的重量的增加而成比例地增大。由于空气是可压缩的，且随着空气被径向内侧的液体压缩，空气体积减小。

除了防止毛细管中的空气/水乳状剂中的气泡的浮力增加，等温压缩需要与水直接接触的最大量的表面积。较小的气泡具有明显更大的与水接触的表面积。这种大的表面积与体积比有利于快速(接近瞬时)将热量传递到水，从而在压缩过程中将空气保持在恒定温度。在相等体积的基础上，水具有比空气高3500倍以上的热容。因此，由于水迅速吸收来自压缩热的能量，所以空气从压缩热来增加温度几乎不可能的。

除了其他重要的特征，微通路/毛细管的另一重要特征是，一旦气泡增长到管的内径，气泡起到类似止回阀的作用，防止气泡的浮力使气泡和水流的径向向外方向反向。本发明的该特征可以被称为沿着微通路毛细管纵向的单向压缩气体或气泡流。具有中间液塞的该毛细管止回阀特征仅需要气泡远离旋转中心而朝向压缩毛细管的高压出口移动。这是由于液体的表面张力。该气泡有效地形成一个围绕其赤道的“干表面”，气泡在该处接触管的内径。该干表面部分防止气泡上方(径向内侧)的水塞找到气泡周围的、到下一个径向外侧塞的路径。如果水或液体在气泡周围流动，则在所夹带的中间气泡上的原动力损失，气泡移动靠近旋转中心，而不是朝向压缩管的径向出口。因此，毛细管止回阀作用或单向流动是本发明除了其他重要特征之外的重要特征之一。

作为类比，压缩管操作类似于起到微型液体活塞作用的水塞或液体塞。液体活塞由于离心力被迫使沿着压缩管向径向外侧移动。气泡在每个液体活塞中间，且气泡由于离心力被液体活塞压缩。为了维持活塞的功能，密封对于使空气保持被活塞捕获是必要的。气泡接触微通路压缩管的壁处的干环是密封件，该密封件将气泡保持在相对于气泡的径向内侧或顶部的液体活塞和活塞的适当位置。这是“捕获的”气泡。水-空气-水-空气-水-空气序列(两液塞之间的夹带气泡)可以被称为“气泡串”。

在一个实施例中，这种气泡-空气序列，以设计的目标流量每秒每管循环1920次。在450个毛细管的情况下，气泡/空气循环的入口频率为每秒864000次。在100CFM模型中，跟随微型液体活塞的这些进气将为15万次每秒(以工程设计目标流量)。由于这些原因，毛细管设计解决了里斯'865离心系统的问题。里斯从未发现，也没有解决由离心力场中产生的非常强大的气泡浮力引起的问题。使用毛细管来设计气泡尺寸(以控制气泡直径和防止气泡的聚集)并防止液体发现气泡周围的路径，是本发明除了其他方案之外的一些重要方案。

液体被设计成活塞，该活塞将气泡压缩到旋转压缩机的外周。如果允许气泡相对于液体活塞速度矢量横向地行进，那么气泡逸出，且气泡自身的浮力将其带回旋转压缩机的中心。气泡的这种横向运动类似于在传统压缩机中泄漏或缺少活塞环。如果气泡的横向运动可以消除，那么液体活塞(重量是气泡重量的800倍)将成功迫使气泡在液体活塞下方行进到压缩机的外周(离心场中压力最高处)。

毛细管尺寸由管直径决定，这将允许气泡密封管，并防止任何液体在气泡周围找到其路径。以这种方式，气泡上方的液体必须迫使气泡行进毛细管的长度并在管的高压端退出，而不是让浮力将气泡送回管的低压侧。不同尺寸的管子和材料的毛细效应以及对各种液体的作用，可以通过现有技术文献的科学审视来确定。因此，各种液体可经由毛细微通路管被用于压缩不同气体。

由于气泡具有相对大的表面积与体积比，所以压缩是等温事件。因此，压缩气体的出口温度与气体的入口温度大体上相同。压缩操作一般发生在恒定温度下。

图1示意性示出了离心气体压缩机，图2示意性示出了产生压缩气体的压缩机，下面将同时讨论图1和图2。

图1示出了由容器12形成的离心气体压缩机10，该容器通过原动机或电机14绕旋转轴线旋转。电机14被附接到传输驱动器15以及带或链16。

容器12具有入口18，从该入口供应气体和液体。入口18通向径向内侧腔17。气体和液体被乳化，且乳化的气液混合物包括夹带在液体中的气体的小气泡。液体是在乳状剂中的连续相。气泡是在乳状剂中的不连续相。在某些方案中，气体和液体是不能融合的。压缩机12具有多个毛细通道20，这些毛细通道以径向方式通向收集腔空间22。每个通道具有径向内侧入口19和径向外侧出口或末端21。毛细管入口19对容器12的径向内侧空间17敞开。该容器还限定或建立环形容器空间22。环形容器空间22大体上是环形的。可能有一些支撑壁或肋在环形空间22中来稳定气体压缩机10的内部结构部件。然而，环形空间捕获来自毛细管的输出物。不同组的管可在分段的环形腔或区域中终止。

在图1和图2所示的简化实施例中，压缩机10和主要容器12包括气体分离室24，该气体分离室最终经由气体排放通道通向气体输出或出口端口25。设置了液体排放部30，其经由液体排放通道，通向液体输出排放部或排放口31。液体排出边缘42使液体从气体区域24分离。

图2示出气体和液体进入入口18并在容器12的径向内侧腔17中乳化。毛细通道20是相对小的微通路，气泡形成在该毛细通道内。气泡被液塞分离。由于容器旋转，与气泡中的气体相比，液体是相对不可压缩的。因此，随着气泡从旋转轴线附近的径向内侧区域向靠近毛细管出口21的径向外侧区域移动，气泡被压缩。这些气泡在单个或单向流中向外侧移动。由于离心力，液体也被迫使向径向外侧进入到环形空间22中。因为作用在夹带的液体上的离心力克服了气泡的浮力，所以压缩气泡被移动到并被捕获在环形空间中。当具有压缩气泡的液体到达分离室24时，气泡的浮力大于作用在气泡上的离心力，这是因为没有液塞通过毛细通道径向向外移动。因此，这些气泡上升到液体表面23或从液体表面23出现，并且破裂，从而将压缩气体释放到气体分离室24中。通过通向气体出口25的适当的气体通道从分离室24中抽取气体。液体或水经由适当的通道从环形空间22被排出，并通向液体排放门31。

图3示意性示出了在限定毛细通道37的毛细管35中的气泡形成。毛细管35的径向内侧端是图3的左侧。因此，在径向内侧区域39，气泡尚未形成。然而，气泡38a和38b形成在径向远离内侧区域39的区域中。液塞36分离气泡38a、38b。气泡38a、38b的浮力试图“上升”，并提供在图3中向左的力。作用在液塞36上的离心力是反作用力，其迫使气泡38a、38b到右侧，该右侧是旋转容器的径向外侧。实验已表明，在径向内侧区域39中形成气泡是非常困难的。微通路毛细管解决了该问题。一旦以超过大约3个大气压(ATM)的水平建立绝对压力，则可在该区域中形成气泡。

在一个实施例中，内径为0.0625英寸(约1.6mm)、以3600-4000rpm的容器速度操作的毛细通道足以从空气和水的乳化中获得压缩空气。在一次试验中，利用了50％的空气-水乳状剂。

改善本发明的离心气体压缩机和方法的操作(除了别的进展之外)的一个重要进展是，发现了该系统可以通过使径向毛细通道或通路的数量增加1000以上，以及通过减小这些毛细通道的直径以使其成为非常小的毛细管来有效地操作。其目的是要物理地将气泡的大小约束为毛细管的尺寸。通过具有小的毛细管，气泡聚集减少，这导致具有较大浮力的较大气泡直径的消除。因为气泡必须随着径向向外液流径向向外移动以便被压缩并达到更高的压力，所以浮力是对离心压缩的物理障碍。

使用大量毛细管的第二个有益特征是，毛细管直径小，且气泡被捕获在水的下方。由于气泡被捕获在小直径的毛细管中，气泡不可能浮回径向内侧而到达毛细管的入口。以这种方式，气泡离开毛细管的唯一方式是被液塞推动并通过液体进一步被压缩，直到气泡到达毛细管的径向外端。在毛细管的末端，气泡已经完全被压缩到该半径和转速条件下的水的全压力。如果没有大量的毛细管，则气泡返回到离心压缩机的内径，且空气或气体的压缩不会发生。

图4示意性示出了离心气体压缩机的一个实施例。如在图4中的180度和360度之间(即，圆周点“a”逆时针到圆周点“b”之间)的左半球所示，径向内侧腔17在使用时被所述液-气乳状剂充满。从圆周点“a”沿顺时针方向到圆周点“b”，容器12未以操作状态示出。在图4中从外周点“c”沿顺时针方向到外周点“a”的90度区域中，在液体41中示出压缩气泡。气泡没有在径向部分b-c示出，但存在于压缩气-液区域22中。管7具有毛细通道20，该毛细通道具有毛细输入部19和径向远处的末端输出部21。容器12沿在图4中用箭头8表示的顺时针方向旋转。液体和压缩气泡44a、44b在靠近容器12的内侧壁1的环形容器空间22中累积。液体排放隔离壁2的径向外边缘42(如图1所示)允许液体从空间22排出。只要压缩的气-液混合物的水平面(level)40在壁边缘42上方，压缩气体就可以从空间46排出。如前面所解释的，气泡在毛细通道20中形成且被迫使向毛细管7的径向外部移动，直到压缩气体和气泡以及气泡中间的液塞进入环形容器空间22。当压缩气泡和液体在环形空间22中时，气泡的浮力使气泡上升并从液体的表面3浮现。在图4中的径向部分c-a中，这被示出为浮现气泡44c。气体分离通道区域24将气体运送到图1中的出口25。

图5示意性示出了本发明的另一实施例。原动机(图中未示出)使带或链16旋转容器12。容器12可旋转地安装在支架50、51上。气体通过软管52从压缩气体出口25(图1)排出。

图6示出了本发明的另一实施例。轮叠54包含多个盘，且每个盘限定和承载如后所述的多个微通路毛细管。每个毛细管的末端对环形空间22敞开。因此，当容器12旋转时，液体及所夹带的压缩气体积聚在环形空间22中。为了在径向内部腔中产生液体中的气体的乳状剂，且还增强毛细管中的气泡的快速形成，形成为盒56的叶轮被放置在离心气体压缩机12的径向内部的内侧空间。盒式叶轮是乳化装置。该盒是叶轮，因为叶轮引起进一步破碎和气体压缩机的径向内侧腔中的气泡的混合。

图7示意性示出了具有多个径向设置的毛细管的轮或盘60。每根管子穿过上述轮或盘形成毛细通道。径向内部空间62接纳叶轮盒或其它乳化装置，上述叶轮盒或其它乳化装置被键入到由盘形成的轮中的键槽64。多个盘60通过键66与相邻盘中的键槽配合(coact)而一个堆叠在另一个之上(图7未示出)。毛细管大体上径向地设置在盘中。内侧毛细管端部可以相对于彼此轴向位移，外侧毛细管端部可处于盘的外周处的单个平面中。叶轮上的入口空间取向需要该稍微的轴向扭转。

图8示出了形成轮叠54的多个盘。图9示出了盘的大约2-3度的弧形片，且示出两叠盘的两个弧形片。在图9的示出中，三个毛细管71、72、73从盘的径向内侧边缘(rim)60b延伸到径向外侧边缘76。毛细管73的外侧末端78在图9中示出。在径向内侧区域，键66与下一个相邻盘中的键槽配合。图9中的下部盘具有与图9中的上部盘中的键槽配合的键。在径向内侧端，叶轮盒56示意性地示出。优选地，毛细盘管居中地位于旋转的容器中，即，轮是压缩机的轴向中点。气体分离室沿轴向与形成轮的堆叠的毛细管隔开。

试验已经用空气和水进行。这些试验建立了本发明的操作优点。然而，许多类型的气体可以被夹带在不同的液体中，且可在本文所讨论的离心气体压缩机中受到压缩。

图6、图7、图8和图9示出相对较大直径的压缩机盘或毛细管/通道装置(约16英寸(接近41cm))和用于约6英寸(接近15cm，算上乳化单元)的管/通道的径向跨度。图10A和10B示出小压缩机盘(直径约为5-6英寸(约12-15cm))和用于约2英寸(约5cm)的管/通道的径向跨度。大直径压缩机盘具有约7800个毛细管，而小盘具有约72个毛细管。

图10A和10B示意性示出用于本发明的另一压缩机盘(乳化单元或设备被移除)。压缩机盘79被设置在旋转容器中。在图10A中，毛细管或通道82的径向外侧端对旋转装置中的压缩气体收集空间是敞开的。盘的径向外侧边缘80在该收集空间中。

叶轮(图10A中未示出)限定了径向地与图10A中的盘79中的径向毛细管82径向对准的毛细入口通路。该对准大体上是沿着通路和毛细通道的中心线。叶轮被安装在径向内侧腔86中。空气和水在这些由叶轮建立的径向通道的内侧端处进入毛细通道。键64a进入下一个盘的互补的键槽中。在图8中，简单叶轮已经安装并示出为键入到轮54中。

图10B示出了盘79，该盘具有键入到盘的叶轮77。叶轮具有毛细入口通路，该毛细入口通路与终止于开口端82的盘中的径向毛细管81径向对准。毛细入口通路的内径基本上与毛细管的内径相同，以产生气泡夹带并径向向外地单向流动到末端82。重要的是，从离心气体压缩机的径向内侧部分径向地延伸到环形容器空间的毛细通道的内部直径或内径沿着其纵向范围几乎一致。其他毛细管84a、84b被示出。

图11A和图11B示意性示出叶轮作为乳化装置。乳化单元可以装配到在图10A所示的压缩机盘中。改型的乳化单元可以在图7-图9中的大盘中使用。叶轮94具有径向毛细通道84a、84b，这些径向毛细通道流动地联接到毛细管81b和81a。此外，在不同的轴向位置96处，叶轮94形成并限定了涡流发生器90。涡流发生器是一个螺旋钻形装置，有时也被称为诱导轮(inducer)，其首要目标是将气体和液体导入供给到毛细管入口或进入开口中的乳化混合物。在图11A所示的实施例中，液体和/或气体进入左侧，涡流发生器或螺旋型鳍片使气-液混合物旋转从而引起进一步混合，气泡破裂，并迫使该气体保持混合(乳化)在液体中。当液体进入叶轮的轴向区域97时，气-液混合物进入毛细入口通路或通道120的径向内侧入口，并由于由旋转容器引起的高离心力沿径向向外行进至毛细管81a、81b。如前所述，各气泡之间的液塞的离心力大于由管中夹带的气泡引起的浮力，因此，由于气泡径向向外侧(单向地)移动引起液塞中间的气体被压缩，直至由液体夹带的气体进入图1、图2、图4和图6所示的容器的环形空间22。

图11B示出径向通道84a垂直于容器的旋转轴线。

图12示出了不同的叶轮94或乳化装置，其中入口与毛细管成一个角度，并正切于容器的旋转的轴向中心线。切向喷嘴110是相切的而不是如前面的图11A、图11B所示的垂直(法向)于旋转轴线。优选地，喷嘴开口面向经受诱导轮或涡流发生器(图中未示出)的液-气混合物流动的方向。如前面所述，数个不同结构形成毛细管的径向内侧部分。在图12中，径向通路112相比于径向毛细管81a处于径向内侧。管81a在接头114处被接合或联接到管112。

图13A、13B和13C示意性示出另一乳化装置叶轮94。在图13A中，叶轮94在图的右侧具有输入部，并且涡流发生器90随着其从图13A中的右侧行进到左侧引起流体旋转。乳化单元的毛细入口通路或通道的轴向位置在涡流发生器之上(同轴，但从该涡流发生器轴向位移)(相比于由盘限定的径向通道的轴向位置，涡流发生器在气体压缩机的入口18中间)。

在图13A、图13B和图13C所示出的实施例中，乳化装置是叶轮，其通过两个毛细入口通路形成文丘里喷射装置。第一内侧毛细通路120承载液体并与对准的第二中心线毛细通路81a分离或隔开。通路120、81a之间的分离的径向空间122对空间中的气体具有文丘里效应。当喷射的液体穿过空间间隙122时，气体被液体喷射装置捕获。径向通道具有终止于喷嘴121的径向内侧通路120。还参见喷嘴121a。间隙或空间122在喷嘴121与毛细管81a的径向内侧开口124之间建立。以这种方式，文丘里喷射装置由穿过气体填充空间122的快速移动的液体形成。离开喷嘴121、121a的液体迫使间隙122、126中的气体在进入毛细管喷嘴124之前进一步与喷射的液体混合。毛细管喷嘴124通向径向毛细管81a。在该实施例中，一些液体在叶轮的内侧腔中。叶轮轮毂限定第一内侧毛细通路120，且叶轮具有填充有气体的径向外部环形空间(参见间隙122)。来自第一毛细通路120的文丘里喷射退出喷嘴121，穿过叶轮的径向外部环形空间122，将气体拉入文丘里喷射液体，且喷射流进入毛细管81a的径向内侧开口124。管120、121、124和81a的中心线对准，如在靠近管81a的中心线126处所示。毛细管81a、81b是第二毛细入口通路，其进而通向并联接到径向设置的毛细通道。第一内侧毛细通路120和第二毛细通路81a以及径向设置的毛细通道的纵向中心线对准。参见中心线126。

图13B示出叶轮94和喷嘴121a。图13C示出喷嘴121a处于对容器的旋转的轴向中心线垂直的角度。

图14示意性示出乳化装置130，其具有上游的涡流发生器132和通常被构造在涡流发生器132的下游以及气体压缩机的径向内侧区域17(图1)中的喷射器喷射装置或文丘里注射器装置。喷射器喷射装置或文丘里注射器装置相对于涡流发生器是同轴的。然而，涡流发生器可以在喷射器喷射装置或文丘里注射器装置的径向内侧。所示实施例中的喷射器喷射装置或文丘里注射器装置包括与涡流发生器132同轴的结构136。文丘里注射器装置可包括图13A中所示的系统或有时在与压缩机相似的其他液体系统中使用的其他类型的喷射器。喷射器喷射装置或文丘里注射器由供给到径向内侧空间137(参见图14中的虚线)的液体以及从形成喷射器或文丘里装置136的多个孔138中的一个被压出或喷射的液体提供。气体被供给到中间径向腔135。当液体从喷射器/注射器136喷射时，液体混合在环形腔135中的空气中，乳化的气-液混合物被供应到毛细管或通道的径向内侧口。参见毛细管20a的径向内侧口19a。文丘里装置136将乳化的气-液注入毛细管的内侧口。

图14示出具有多个盘的轮54，每个盘包括数个微通路毛细通道20、20a。空气-水或气-液混合物通过乳化装置被迫进入毛细管20a、20的内侧末端19a。

图15A和图15B示意性示出了另一乳化装置130。乳化装置130以定子140具有沿方向141围绕固定定子140旋转的容器12的方式被固定。液体被引入定子140的径向内侧部分147。气体被供给到环形腔142。

图15A中所示的实施例中的乳化装置130包括双壁筛网，该双壁筛网被供给有来自内侧腔147(参见虚线)的液体且将该液体与环形腔142中的气体混合。乳化装置130的双壁筛网包括径向内侧筛网148，该径向内侧筛网中具有多个孔或孔口146。外壁筛网或孔口限定壁144被进一步形成为剪切结构和涡流发生器。外孔口限定壁144具有波纹或由压下的筛网壁部分147隔开的突出筛网壁部分144。

图15B示出了在乳化装置中的内部液体空间147，且示出了内部筛网壁148和外部筛网壁144。外部筛网壁145的高点或升起区域在较低水平位置的或降低的筛网壁部分147上。外筛网壁部分限定螺旋状涡流发生器。

图15C示意性示出了另一乳化装置130。乳化装置130以定子140具有沿方向141围绕固定的定子140旋转的容器12的方式被固定。气体被引入定子140的径向内侧部147。液体被供给到环形腔142。

图15C的实施例中的乳化装置130包括单个壁，该单个壁具有示出为微筛网148a的细小的亚微米通道。烧结金属筛网可用于形成这些微通道。烧结壁筛网148a被供给有来自内侧腔147(参见虚线)的气体，并且这些气体与环形腔142中的液体混合。乳化装置130的烧结壁筛网148a中包括多个微通路。图15C的烧结筛网材料中的这些微通路的尺寸大小相比于图15A中的筛网被大大夸大了。

如图11A、图12、图13A、图14和图15A所示的乳化装置示出了能够用于最终分开和混合气体与液体的各种类型乳化装置。应注意的是，这些乳化装置的各种组合可以改变，以便实现乳化的气-液混合物，随后该乳化的气-液混合物被供给到微通路毛细管的径向内侧部。液体和气体的混合相乳状剂通过液流或压力喷射的机械剪切产生，并被引入到径向装置中旋转的许多毛细管的内侧端，并在毛细管的外侧端被收集。

图16示意性示出了切向毛细管20，该切向毛细管沿径向方向从毛细管入口19(靠近压缩机的径向内侧腔17)通向环形腔22处的径向外部口21。毛细管通常径向设置在旋转容器中。毛细管或通道20形成在被安装在轮54中的盘中。可采用较小的盘(参见图10A)。容器12围绕旋转轴150沿方向151旋转。一般而言，图16中的毛细管20相对于旋转轴线处于约90度的角度。

图17示意性示出连续弯曲的毛细管20，该连续弯曲的毛细管从内侧口19径向地通向环形压缩气体收集空间22和输出口21。如图17所示，毛细管20形成相对于旋转轴线150和方向151的向后扫掠曲线或漩涡。图16中的切向管也可以沿旋转流(径向内侧腔17中的流(图1))的方向连续弯曲。沿旋转流的方向的该连续曲线有时称为向前扫掠通路。在增强的实施例中，多个毛细管或通道的径向内侧部分被构造为切向进入通道，该切向进入通道大体上类似于图16中的切向取向。

因此如图1、图16和图17所示，毛细管不需要相对于压缩机的轴向中心线是正好径向的。作用在被毛细管中的气泡分开的中间液体上的离心力被单向地移动朝向压缩机中的径向最外侧的收集腔。管或毛细通道可以采取各种路径而不损害中间液塞之间夹带的气泡的单向流。

为了实现高效率，毛细管的内径从气液混合物被供给到管的径向内腔到毛细管的全部纵向范围都是均匀的。这种均匀性适用于喷嘴、内侧通路和径向毛细管。该均匀直径导致气泡生成并在整个毛细管的纵向范围保持气泡完整性和气体压缩。

本文所附的权利要求意在覆盖本发明的范围和精神之内的修改和变化。

Claims (15)

1.一种用于压缩气体的方法，所述气体被夹带在旋转容器的径向内侧区域处存在的液体中，该方法包括：

在所述容器中提供多个毛细通道，所述多个毛细通道径向地通向终止于大体环形容器空间中的径向外侧端；

将所述液体中夹带的所述气体引入所述多个毛细通道的径向内侧端；

转动所述容器，引起所述毛细通道中气泡的形成，并借助离心力朝向所述毛细通道的径向外侧端压缩所述毛细通道中的所述气泡；

收集来自所述环形容器空间中的所述毛细管的输出物，该输出物包括液体和所夹带的压缩气泡；以及

排出从所述环形容器空间释放的压缩气体。

2.根据权利要求1所述的用于压缩气体的方法，包括：

借助离心力沿着所述毛细通道的径向范围等温压缩所述毛细通道中捕获的气泡。

3.根据权利要求1或2所述的用于压缩气体的方法，包括：

借助离心力压缩所述毛细通道中的气泡，并迫使得到的压缩气泡和中间液体单向地移动到所述环形容器空间中。

4.根据权利要求1、2或3所述的用于压缩气体的方法，其中，所述多个毛细通道以下述方式中的一种形成压缩气泡：

多个长形的大体上径向的毛细通道径向地通向所述外侧端；

多个长形的大体上切向的毛细通道径向地通向所述外侧端；以及

多个长形的大体上连续弯曲的毛细通道径向地通向所述外侧端。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的用于压缩气体的方法，其中，每个所述毛细通道在其整个径向范围中具有大体上均匀的尺寸，且每个毛细通道具有小的、大体上均匀的横截面，所述小的、大体上均匀的横截面引起靠近所述毛细通道的径向内侧部的气泡的形成。

6.根据权利要求1、2、3或4所述的用于压缩气体的方法，包括在被引入所述毛细通道之前通过下述方法之一形成所述气体和液体的乳状剂：

将任一气体喷射到液体中；

将液体喷射到气体中；

通过将气体注入液体或将液体注入气体而产生文丘里效应；以及

在所述气体或所述液体中产生涡流。

7.根据权利要求1、2、3或4所述的用于压缩气体的方法，其中，所述毛细通道形成用于所述乳状剂的微通路。

8.根据权利要求1、2、3或4所述的用于压缩气体的方法，其中，气泡的压缩是由中间液塞引起的，该液塞和气泡单向地移动到所述环形容器空间。

9.一种用于压缩气体的设备，所述压缩是利用被供给有气体和液体的离心气体压缩机进行的，所述设备包括：

围绕一轴线旋转的旋转容器；

所述容器具有径向内侧腔和多个毛细通道，所述多个毛细通道具有对所述径向内侧腔敞开的径向内侧端，所述径向内侧腔径向地通向终止于大体环形容器空间中的径向外侧端；

乳化装置，在所述径向内侧腔中，所述气体和液体被供应到所述乳化装置，且所述乳化装置将乳化的气-液混合物供给到所述多个毛细通道；

所述多个毛细通道的尺寸为使得气泡由于所述旋转容器的离心力被捕获在所述毛细通道中的液塞之间，所述液塞上的所述离心力大于所述毛细通道中的所述气泡的浮力，从而将所述气泡和液塞移动到所述环形容器空间并引起在所述毛细通道中压缩所述空气；

气体排放通道，连到所述环形容器空间，用于从所述环形容器空间排出压缩气体；以及

液体排放通道，连到所述环形容器空间，用于从所述环形容器空间排出液体。

10.根据权利要求9所述的用于压缩气体的设备，其中，所述多个毛细通道是下述中的一种：

多个长形的大体上径向的毛细通道，径向地通向所述外侧端；

多个长形的大体上切向的毛细通道，径向地通向所述外侧端；以及

多个长形的大体上连续弯曲的毛细通道，径向地通向所述外侧端。

11.根据权利要求9或10所述的用于压缩气体的设备，其中，每个所述毛细通道是在其整个纵向范围中具有大体上均匀的横截面尺寸的微通路。

12.根据权利要求9、10或11所述的用于压缩气体的设备，其中，所述乳化装置是下述中的一种：

喷射器，在将所述乳化的气-液混合物供给到所述多个毛细通道中之前，将所述气体喷射到所述液体中或将所述液体喷射到所述气体中，

文丘里注射器，用于在将所述乳化的气-液混合物供给到所述多个毛细通道中之前，将所述气体注入所述液体或将所述液体注入所述气体；以及

涡流发生器，位于所述气体和所述液体中。

13.根据权利要求9、10、11或12所述的用于压缩气体的设备，其中，所述乳化装置包括所述容器的所述径向内侧腔中的涡流发生器，所述涡流发生器接纳所述气体和液体；

所述乳化装置还包括下述之一：所述涡流发生器的下游的喷射器，在将所述乳化的气-液混合物供给到所述多个毛细通道中之前，将所述气体喷射到所述液体中或将所述液体喷射到所述气体中；所述涡流发生器的下游的文丘里注射器，用于在将所述乳化的气-液混合物供给到所述多个毛细通道中之前，将所述气体注入所述液体或将所述液体注入所述气体；

所述涡流发生器，限定用于所述径向内侧腔的一个轴向区域中的液体的叶轮；以及

所述喷射器和所述文丘里注射器中的一个或另一个限定流体联接到所述多个毛细通道的多个毛细入口通路，每个毛细入口通路具有纵向中心线，该纵向中心线大体上与相应的径向毛细通道的纵向中心线对准，并且其中所述毛细入口通路的内径大体上等于相应的毛细通道的内径。

14.根据权利要求13所述的用于压缩气体的设备，其中，每个毛细入口通路作为径向内侧末端对所述径向内侧腔敞开，每个径向内侧末端具有一个流体入口，该流体入口连到包括以下流体入口的流体入口组：

垂直于所述容器的旋转轴线的流体入口；

相切于所述容器的旋转轴线的流体入口；以及

形成为文丘里效应通道的流体入口。

15.根据权利要求13所述的用于压缩气体的设备，多个所述毛细通道形成在单个盘中，所述单个盘具有：径向内侧盘边缘，所述毛细通道在该径向内侧盘边缘处接受所述乳化的气-液混合物；以及径向外侧盘边缘，对所述环形容器空间敞开，每个盘被同轴地安装在所述容器中。