CN110537024A - 集成有毛细管道气体压缩机的能量回收循环涡轮 - Google Patents

Abstract

具有旋转中空壳体和独立旋转涡轮的离心气体压缩机，该离心压缩机在毛细管道中压缩气泡，并且从液体排出件(有时候为液体回收器)中回收能量。壳体可旋转地保持具有涡轮的内部阀芯。输入毛细管的气液乳液在径向远端环形区域处生成压缩的气液乳液，该环形区域位于阀芯内的环形湖中。压缩的气体离开湖并被排出。溢出液体的涡轮动叶边缘驱动涡轮，将角速度/角动量转化为轴扭矩作为回收能量。动叶捕获的液体被回收到毛细管输入口。

Description

集成有毛细管道气体压缩机的能量回收循环涡轮

技术领域

本发明涉及将能量回收涡轮子系统集成到气体压缩机中的方法和系统，利用压缩机旋转主壳体生成和包含的离心力，该气体压缩机使用微通道毛细管道来压缩毛细管道中夹带的气体，其中能量回收涡轮相对于旋转主壳体独立旋转。本发明还涉及不包括能量回收的液体循环气体压缩机。

背景技术

气体压缩机用于在消费市场(为篮球、玩具和轮胎充气)和工业市场(液化气体、压缩气体以用于运输燃料、用于为气动工具提供动力以及用于将天然气从井口分配给用户)中的很多项目。

现有技术的商用气体压缩机的效率低，主要由于实用性需要气体快速压缩。快速压缩使得在压缩过程中几乎无法散发压缩热量。在压缩过程中固有的升温(这里称为“压缩热量”)要求原动机所做的物理功比在同样过程中完全立即去除“压缩热量”时所做的功多了高达100％。通常，原动机是内燃机或电动机。很少或没有去除压缩热量的快速压缩过程被称为绝热压缩。大多数现有的压缩机采用绝热压缩循环或半绝热压缩循环。随着压缩机最终目标压力的增加，由压缩热量引起的能量或功的损失增加。这就是为什么使用多级压缩(其间具有中间冷却器)来达到较高的最终压力。

如果在压缩气体仍然热的时候迅速使用该压缩气体，则压缩气体的功势大致相当于压缩气体所需的功。然而，大多数的压缩气体都储存在非绝缘的压力容器中，压缩气体和使用气体之间的时间使得保留气体中的热量显得不切实际。因此，用于在压缩气体时克服压缩热量的这50-100％的额外功是损失或浪费。在立即去除所有压缩热量时进行的压缩称为等温压缩。如果能够实现等温压缩，将气体压缩至给定压力所需的能量理论上能够减少将近一半。换句话说，用相同的能量成本或金钱成本能够生产两倍的压缩气体量。历史上，等温压缩是不实际的或不可能实现的，因为在实际使用时从压缩气体中去除压缩热量需要太多的时间和/或内部传热表面积。

一种现有技术压缩机证明了快速等温压缩，其为泰勒(Taylor)1908年获得的美国专利，专利号为892,772。泰勒的772号公开了液压空气压缩机，该压缩机利用了注入数百万个微小球形气泡的下落水柱。当水柱从特定高度落下时，水中的气泡被压缩。泰勒的772号系统采用70英尺(约21米)的压头差，产生约128psi(磅/平方英寸)的压力，以驱动5000-6000马力的等温压缩机。

为了使液压气泡、等温压缩机具有便携性和实用性，彻丽(Cherry)等人于2014年5月19日提交了美国专利申请，专利申请公开号为20150023807(彻丽的807)，序列号为14/280780(其内容通过引用并入文中)，该申请公开了使用离心力将水柱的物理尺寸缩小至少1000倍，从而达到了工业压力。离心力作用于液体段塞之间夹带的气泡，液体段塞通过径向、切向或连续弯曲的毛细压缩管道沿径向(远离旋转轴线)向外移动。将压缩的气体收集在环形增压气体分离和储存腔内，以便收集后供工业使用。通过内侧乳化装置将气液乳液输入毛细压缩管道。该乳化装置可包括涡流发生器、喷射器或文丘里注射器，都将气液混合物输入毛细管道的内侧端。毛细管道形成为一系列圆盘，同轴地堆叠，并且圆盘外端朝环形空间敞开。

彻丽等人于2015年9月23日提交的美国专利申请，专利申请序列号为62/222261(彻丽的261)，(其内容通过引用并入文中)，公开了对彻丽等人在807中公开的装置和方法的改进，彻丽等人的807使用了定向限流技术以确保乳液流过离心式气泡压缩机的毛细压缩管道，其只能沿径向向外移动。

凯勒(Keller)的专利号为6,276,140的美国专利公开了通过涡轮发动机产生能量的装置。凯勒的140中的装置还使用输入穿过漏斗形竖直管道或隧道的下落水来压缩下落水中的空气气泡。在凯勒的140中落水下降在30-100米之间。凯勒的140中漏斗管道顶部的通常直径约为2-7米，并且在底部，漏斗出口区域通常为0.7-2.0米。

里斯(Rees)专利号为1,144,865的美国专利公开了旋转泵、冷凝器和压缩机。然而，里斯的865的旋转泵压缩机利用具有高度弯曲形状的壁的大空腔，且空腔相对于旋转容器不是径向的。

方(Fong)的专利申请公开号为2011/0030359的美国专利，标题为“利用两相流促进热交换的压缩空气储能系统”(序列号为12/686695，于2010年8月25日提交)，在第0963、0964、0959和0983段中笼统地讨论了离心分离器。然而，方的359没有提供离心分离器。

斯托尔科夫(Stahlkopf)的美国专利申请公开号为2011/0115223的美国专利，标题为“利用两相流促进热交换的压缩空气储能系统”(序列号为13/010683，于2011年1月20日提交)也讨论了离心分离器。

方的359和里斯的223都没有讨论以等温的方式压缩水中或液体中的气泡以提取压缩空气或气体的离心式压缩机。

休斯(Hughes)在美国专利号为1,769,260的美国专利中公开了离心泵和冷凝器，其使用毛细管道压缩气泡，其方式与本装置类似，但在几个重要方面有所不同。休斯的260产生气泡串的方式(见气体接收腔21)会产生更长更大的气泡，这些较大的气泡将具有相应更大的浮力，较彻丽的807和彻丽的261中公开的细乳液而言，这种更大的浮力很难将这些较大的气泡推向压缩管道的远端。休斯的260中的护罩24是凹槽，当水在毛细腔22的径向远端离开毛细腔22时，该凹槽收集水。凹槽内充满了因离心力而截留的水，深度由面朝内的法兰25确定，在法兰25“上方”，多余的水排至静止的圆柱外壳10的内侧壁。毛细腔22的径向外端向径向延伸超过面朝内的法兰25的内径，生成气体密封。

在休斯的260中，护罩24与2014年5月19日提交的彻丽的807，序列号为14/280780中的旋转壳体在如下意义上相似：压缩管道端部径向地(和液压上地)低于盖板上的排水水平，从而生成气体密封。彻丽的807的设计有所不同，由于旋转壳体不仅是气体密封，而且还作为增压气体储存壳体和气体/液体分离腔，而休斯的护罩没有明显的压差。休斯的护罩24确实起到了密封作用，但并不像该装置那样起到了强制单向远端流动的整流剂的作用。

本发明对彻丽的807中的方法和系统进行了扩展，该方法和系统依靠离心力来增加中间液体段塞的重量，该中间液体段塞作用于移动穿过微通道毛细管道的夹带气泡，在旋转的环境中增加的重量克服了气泡浮力并使气泡运输通过毛细管道到外侧径向的位置(换句话说，气泡“下沉”到旋转的外部)，吸收压缩热，从而等温压缩气体。

本发明还建立在彻丽的261方法和系统的基础上，通过使用机械检查或禁止反向流动，在毛细压缩管道中产生、加强和增强朝远端定向的单向乳液流，动态增强远端(通常是径向向外)乳液流，检查或禁止气泡浮力，该浮力与气泡向管道远端的径向外侧运动相反，该浮力与乳液出口速度成反比，并且使管道直径纵向变细，以匹配压缩过程中气泡直径减小的比率。

彻丽的807和261的一般关注点是旋转气泡压缩机中气体的等温压缩。在彻丽的807和261装置的早期结构中，赋予叶轮/压缩管道设备中的水的一些能量在排水圈(drainrace)的设计中得以回收。这种能量回收是通过将进入排水圈的水的高角动量转化为轴扭矩而出现的。这种扭矩转换是由于排水圈中存在径向静叶从而迫使水减速而产生的。

扭矩转换的原理与许多水力发电涡轮在水力发电设施中依靠将水中的角动量转换为轴扭矩从而发电的原理相同。

如J.B卡尔弗特(Calvert)于2010年2月在名为“涡轮”中的现有技术参考文献中所述，扭矩是角动量的变化率，正如力是线性动量的变化率一样。当流体对涡轮转轮施加扭矩时，反应为流体角动量的变化。流体通过导向静叶获得角动量，理想情况下，施加在转轮上的扭矩转化为该角动量。然而，对于某些机器而言，出口处的水可能仍然具有相当大的角动量，而这种运动中的能量是轴上没有出现的能量。

发明内容

本发明的目的是提供一种在气泡压缩机中保存和使用压缩液体中固有的剩余能量的方法，其方式为：在经受不同离心力作用的旋转场中，在液体系统中生成两个不同的柱长度，使得在较高的离心力作用下生成短的液体柱长度，该短的液体柱长度具有与在较小的离心力场下的较长的液体柱长度相同的远端压力。两个不同长度的液体柱的不同角速度造成了较大和较小的离心力。较短长度的液体柱在较高的每分钟转数(RPM)下运行，较长长度的液体柱在较慢的每分钟转数下运行，但这两种柱长度的液体的远端具有相同的压力。

本发明的另一个目的是在压缩循环后，通过使用反向涡轮来保存和使用离心式气泡压缩机的压缩液体中固有的剩余能量。

本发明的还有一个目的是通过使用补充同轴涡轮，在循环的压缩阶段之后回收离心式气泡压缩机中的压缩液体以便循环使用。本发明的进一步目的是生成并引入气液乳液(或液气乳液)，其目的在于使用携带液体的虹吸管将气体吸入液体中，从而在离心式气泡压缩机中压缩气体，从而生成被输入微通道毛细管道的乳液。

本发明的另一个目的是通过将热量传递到和传递通过外部旋转壳体来去除运行期间产生的压缩热量，在该外部旋转壳体中通过双功能散热翅片和/或风扇动叶布置进行散热。

附图说明

本发明的进一步目的和优点将结合优选实施例的详细描述，同时结合附图进行讨论。

图1图解示出了具有毛细管道的旋转外部气体压缩机壳体，该毛细管道通常从径向内侧位置延伸到径向外侧位置，毛细管道的输出端口在增压气体腔中终止，其中气体腔由阀芯轴向划定，该阀芯由在一个轴向位置的压力板在另一个轴向位置的涡轮动叶或盘形元件形成，压力板和涡轮板独立于旋转外部壳体和毛细管道而旋转。

图2A和2B图解示出了能量回收涡轮板和压力板。

图3A和3B图解示出了旋转外部壳体。

图4A图解示出了气体入口止挡件，用于初始控制送入气体入口的气体，该气体入口是用于气液乳化器的乳化装置的一部分，该乳化器将气液混合物送入毛细管道，并且示出了液体流入涡轮板中的液体回流入口。

图4B图解示出了毛细管道。

图4C图解示出了虹吸管和凹槽，该凹槽生成压差，使虹吸管从作为乳化子系统的一部分的气体入口抽吸气体。

图5A图解示出了连接到原动机的旋转气体压缩机壳体和连接到发电机的能量回收涡轮系统。

图5B图解示出了能量回收涡轮和原动机之间的机械联接子系统。

图6图解示出了连续弯曲的弧形形状，该弧形形状从涡轮动叶输入口处的径向远端前缘到用于能量回收涡轮板通道或动叶的径向内侧后缘，该连续弯曲的弧形形状可以是多个动叶或多个通道。

图7是虹吸管、凹槽和毛细管道的详细视图。

图8图解示出了作为乳化器的雉堞形管道，用于送入毛细管道的气液乳化。

具体实施方式

如上所述，彻丽的807和261解释了旋转气泡压缩机中气体的等温压缩，通过排出圈(drain race)的设计，该压缩机回收赋予叶轮/压缩管道装置中的水的部分但不是全部能量。本发明的能量回收涡轮(ERT)被设计用于回收离开排出圈内径(或ID)的水中剩余的大部分能量(接近25％的动能)。广泛地说，本发明在液体排出通路和皮托管排出通路中使用了同轴、独立的二级涡轮(独立于旋转压缩机体)。

能量回收涡轮的方法和系统通过采用以下方法改进了彻丽的807和261系统：(1)在运行期间，在循环的压缩和分离阶段后，在内部循环和再利用压缩液体；(2)在循环的分离阶段后，通过保存和使用压缩流体中固有的能量来提高装置的效率；(3)通过使用旋转虹吸管确定低头乳液生成方法，以及(4)通过外部旋转壳体和布置在其外部表面上的散热翅片来散发压缩热，以充当混合风扇动叶/散热器表面。

本发明涉及一种在基本中空的圆柱形旋转壳体中压缩气泡并且从夹带气泡的液体中回收能量的方法及其系统。本发明还涉及一种带有液体回收器的气体压缩机。该方法包括使用以第一速度旋转的基本中空的外部圆柱形壳体和以低于第一速度的第二速度旋转的内部阀芯。此阀芯基本上位于该中空圆柱形壳体内，该壳体独立于内部阀芯旋转。在中空圆柱形壳体中的径向近端腔中形成气液乳液。由于气泡被迫通过多个径向延伸的毛细管道，该毛细管道从靠近旋转轴线的腔径向延伸到壳体内的径向远端环形区域，气泡在气液乳液中通过毛细作用和离心力被压缩。因此，在远端环形区域形成了压缩的气液乳液。

在壳体和内部阀芯中形成压缩的气液乳液环形湖，从而允许压缩的气泡逃逸环形湖。逃逸的压缩气泡影响环形湖的径向深度。从湖中逸出的压缩气泡在径向远端环形区域被排出。阀芯有涡轮动叶。该涡轮动叶通过将动叶浸入环形湖中的乳液中来驱动。环形湖中乳液的角速度和角动量之一或两者都被转换为涡轮轴扭矩作为回收能量。

通过迫使溢出的液体从涡轮动叶边缘(径向远端前缘)到涡轮动叶形状的径向内侧后缘经过连续弯曲的弧形形状，实现角速度或角动量的转换。这种转化是通过迫使来自湖的乳液经过涡轮动叶的这些连续弯曲的弧形形状而实现的。在一个实施例中，壳体通过电机旋转，电能部分或全部由涡轮轴扭矩生成供给电机。否则，通过机械方式施加轴扭矩，以协助原动机驱动壳体。

其他特征包括堵塞环形湖的一部分，使得湖中部分乳液轴向溢出坝，从而形成溢出液体。一旦环湖乳液到达坝的轴向位置，乳液中的大部分气体(如果不是全部的话)都是溶质，因此可参考溢出液体。由于动叶浸入溢出液体中，溢出液体驱动涡轮动叶。溢出液体输入涡轮动叶或由涡轮限定的通路或通道，这些动叶或通道延伸并且形成从通道输入处的涡轮动叶前缘到通道出口处的径向内侧后缘的连续弯曲的弧形形状。从这些动叶通道输出的液体被循环回到虹吸乳化器。乳化器可以是毛细管道而不是虹吸管，该毛细管道终止于雉堞形管道端，其在径向近端区域吸收气体和液体。此外，压缩的气体从环形湖和在径向近侧端口处的环形压缩气体腔中排出。

另一个特点包括在迫使溢出液体通过涡轮活动表面(即连续弯曲的弧形涡轮通道)后回收液体。这些通道的后缘在通道前缘的径向内侧。这种回收包括将弯曲弧形涡轮通道的输出(溢出的液体被输入通道中)作为回收液体沉积到多个虹吸管中。回收的液体(从气体源)虹吸出气体，并将产生的气液乳液送达多个毛细管道。虹吸作用的程度通过阻止虹吸管上游的回收液体来控制。雉堞形管道端也可用于生成乳化的气液混合物。

气体压缩机系统包括通过原动机旋转的中空圆柱形壳体。多个毛细管道固定在壳体内。每个毛细管道都有径向内侧输入端口和径向远侧输出端口，该径向内侧输入端口靠近或接近旋转轴线，该径向远侧输出端口靠近壳体内壁。输出口终止于壳体内形成的环形腔中。多个乳化器被供应有气体和液体，并且径向地布置在毛细管道输入端口的内侧。各乳化器的输出口与相应的毛细管道输入端口流体联接，以向其供应气液乳液。这些管通过穿过它们的气液乳液的毛细作用形成了压缩气体乳液。内部阀芯可旋转地安装在环形腔中，使得阀芯相对于壳体独立地旋转。阀芯具有从壳体伸出的外侧轴向延伸部。阀芯具有涡轮动叶，其在环形腔中使阀芯旋转。此外，环形腔限定了环形压缩气体腔，并且该腔还包含压缩气液乳液的环形湖。这个环形湖由从毛细管道输出端口输出的压缩气液乳液形成。压缩气体腔包含来自环形湖压缩气液乳液的压缩气体。

涡轮动叶具有若干或多个流体捕获静叶，这些静叶径向地向远端延伸到环形湖中，从而将环形湖中压缩的气液乳液的角速度和角动量之一或两者都转换为施加到输出轴向延伸部的涡轮轴扭矩。

本发明的进一步特征包括内部阀芯，该阀芯在一个轴向阀芯端带有压力板，在另一个轴向阀芯端带有涡轮动叶。压力板和涡轮动叶具有基本相同的径向范围，并且在其之间形成环形压缩气体腔。压力板的轴向位置比涡轮动叶更靠近乳化器。环形湖在压力板和涡轮动叶之间形成液体密封。环形湖在压力板和涡轮动叶之间具有轴向长度，并且在其之间具有径向湖深度，该深度大于涡轮动叶的远端边缘和旋转壳体的内侧壁之间的径向空间。坝位于环形湖的下方，并且从壳体的内侧壁向内侧径向突出。坝的径向高度小于环形湖的径向深度。环形湖中的一部分压缩气液乳液作为溢出液体溢出了坝。涡轮具有多个流体捕获静叶，这些静叶径向地向远端延伸至溢出的液体中。溢出的液体通过与涡轮静叶或通道的共同作用来驱动涡轮动叶。

涡轮动叶可以限定连续弯曲的弧形形状或通道，该弧形形状或通道从动叶或通道输入口处的径向远端涡轮动叶前缘延伸到径向内侧通道后缘或动叶输出口。这些流体通路从捕获静叶通向涡轮流体输出口。这些流体通路具有连续弯曲的弧形形状，其中输出口在输入口的径向内侧。阀芯可以有中空的同轴截头锥形底座，该底座在涡轮动叶和压力板之间延伸(阀芯由板、底座和涡轮限定)。截头锥形底座是中空的，并限定了中心锥形液体收集腔。在靠近压力板的轴向位置处，中空同轴截头锥形底座限定了径向内侧液体环形空间。该环形空间位于中心锥形液体收集腔的与涡轮动叶的轴向位置相对的一个轴向端处。从径向内侧液体环形空间向乳化器供应液体。

本发明的另一个特征包括径向内侧液体环形空间中的堰。堰是凸起的径向延伸壁(远离旋转中心延伸)。通过形成被输送至乳化器的液体的环形池，堰控制液体在液体环形空间中的径向深度。这些乳化器是多个虹吸通道，这些虹吸通道在环形池和用于每个相应毛细管道的各自的输入端口之间延伸。存在气体入口，其向每个虹吸通道供应气体，并且通过虹吸通道、气体入口和环形池产生气液乳液。可以使用雉堞形毛细管道端而不是堰和虹吸系统。该系统还可以包括传热子系统，该传热子系统具有在内部延伸的传热翅片和一个或更多个外部延伸的传热翅片。

气体压缩机中的液体回收器类似于能量回收方法和系统。然而，液体回收器具有可操作地联接到阀芯的制动器，并且该回收器省略了涡轮阀芯的输出轴向。制动器可以是内部的，也可以是外部的。如果制动器是外部的，则制动器在形成系统输出轴的外侧轴向延伸部上操作。

实施本发明的方式

本发明涉及一种用于设置在气泡压缩机内的能量回收涡轮的方法和系统。此外，该系统可构造为在没有能量回收元件的情况下回收液体。在整个附图中，相似的数字符号表示相似项目。

在离心力场中的水柱

彻丽的807和261装置中采用的基本理论是在旋转壳体中通常呈径向延伸的多个微通道毛细管道。向毛细管道的径向内侧端口或入口输入乳化的气液，当这种混合物径向向外行进时，离心力增加，从而压缩气泡，而气泡(或更准确地说，气泡之间基本上不可压缩的液体)受到毛细管作用(毛细管道的目的是抵消气泡浮力，使气泡能够远离旋转中心径向向外移动)。毛细管道输出端口或出口终止于旋转壳体内的大致环形空间。在以压缩气体乳化后，气泡离开毛细管道(此时自然浮力返回气泡，迫使气泡径向向内，从而使气泡离开液体)并进入旋转的内部环形空间，气体从环形空间中的压缩气体乳化中发出或散出。

在一些现有技术的气体压缩机中，当压缩气体逸出乳化混合物时，液体坝或屏障控制液气乳化在环形空间中的径向深度。从径向向内延伸的坝屏障溢出的液体从压缩机中排出。压缩的空气在压缩气体乳化的径向深度上方的径向内侧位置处独立地从环形空间排出，此压缩气体乳化由离心力沿环形空间的径向远端区域截留。

彻丽的807和261装置使压缩气体乳化在环形空间中经受离心力而不是1G的重力场。彻丽的807和261装置提供了位于远端的机械屏障，用于分离和建立气体/液体分离和气体储存腔，以便于在环形空间的径向远端区域中将压缩气体从压缩气液混合物中移除。在彻丽的807和261装置中，通过缩短排出圈的高度(柱从最大OD到ID的物理距离(OD为外径，ID为内径))，液体从入口侧被激励到排出圈侧。入口内径和排出圈内径之间的差成为导致液体从入口侧流向排出侧的差动“扬程”。

该彻丽的807和261装置构造成使得液体排放系统的排出圈侧和入口侧以相同的每分钟转数运行(换句话说，排出圈和入口与毛细管道一样，均固定在旋转气体压缩壳体内)，因此在远离旋转轴线中心线的单位径向距离上受到相同的力或或水柱压力。

因此，为了产生压差，一个水柱需要在物理上短于另一个水柱。

本发明的能量回收涡轮解决的问题是，如果液体通过旋转压缩机的压缩运行进行再循环，但液体从未离开旋转场，则可以更好地保存排出液体(可能是水)中固有的能量。解决这个问题也消除了对外部管道系统的需求。所以问题就变成了：“如何在排出侧得到更长的水柱，同时保持相同的压力？”

离心力依赖于每分钟转数，因此，如果需要较长的水柱或液体柱在其远端施加与同步排出圈相同的液压，则需要以较低的每分钟转数操作排出圈液体柱。

通过使用共享同一旋转轴线(同轴构造)的两个独立运行轴—一个使压缩管道叶轮旋转，另一个构造为限定用于液体的排出圈(例如旋转气体压缩壳体中的独立旋转涡轮板)，可以强行导致涡轮板中的排出圈以较低的每分钟转数运行，从而引起排出圈中的液体(例如水)柱具有足够长的径向尺寸，在相同的径向远端压力下，排出圈的离开口在径向位置的径向尺寸小于(接近旋转中心)压缩机叶轮的入口的径向尺寸。

给定理想的机器，气体压缩叶轮每分钟转数与能量回收涡轮每分钟转数的比值可以是压缩叶轮每分钟转数的95％。例如，如果叶轮在400每分钟转数下运行，则能量回收涡轮只需要降低5％的每分钟转数或者只需要3800每分钟转数，就可以实现将废水返回中心以便在压缩过程中重复使用的目标。然而，考虑到特定的运行条件、气液组合、部件组成和部件设计(例如，能量回收涡轮可以是管状结构或具有涡轮静叶)，气体压缩叶轮每分钟转数与能量回收涡轮每分钟转数的比值可以在压缩叶轮每分钟转数的99％到50％之间。

当进入慢速转动能量回收涡轮时，在水中最大外径(液体排出的径向远端)处包含的相对速度能量由能量回收涡轮液压地收集，该能量由机械联接的能量回收涡轮发电机进行电转换，例如，BLDC马达构造为发电机并由液体的角速度或能量提供动力(BLDC马达被称为无刷直流电动机，有时被称为BL马达，也认为是电子整流马达(ECMs或EC马达))。替代地，齿轮或皮带的机械联接器系统可以机械地将旋转较慢的涡轮与联接到气体压缩机壳体的原动机连接起来，而不是使用联接至独立旋转涡轮板的发电机。

原动机与气泡压缩机叶轮联接，将原动机提供的能量减去由能量回收涡轮发电机收复的能量，从而减少提供给系统的所需净能量，所需净能量用于压缩气体并克服系统中的液压摩擦。

系统

能量回收系统大体如图1所示。带有内部能量回收涡轮的压缩机大体被标识为组合系统10。组合系统10包括两个独立的可旋转子系统，带有多个径向延伸的毛细压缩管道20的外部气体压缩壳体12，以及独立旋转能量回收涡轮子系统，该子系统具有涡轮动叶或板14、压力板23和截头锥形阀芯底座25。尽管示出了轴承组2在组合系统10的一个轴向位置处，轴承2提供了能量回收涡轮阀芯系统14、25和23的独立旋转，但组合系统10包括其他轴承(未显示)，这些轴承包括在涡轮子系统气体出口轴32和外部压缩壳体12之间在另一轴向端处与轴承组2轴向相对的轴承。气体出口轴32是远离壳体12向外轴向延伸部的延伸构件。如图5A所示，气体压缩壳体12由联接器110机械地联接到原动机112。因此，气体压缩壳体12也安装在固定架的轴承上，该轴承未在图中示出。

在图1所示的实施例中，在进气口16处将气体供应到轴16的内部腔或通道。气体被吸入气体入口18。某些类型的气体输送系统用于将气体供应到入口18。吸力由虹吸管道19中的液体提供，该虹吸管道19基本上是U形管道或通道。详见图7中的管道19。气体入口18优选为与U形虹吸管道19的底部气态联接(或称为流体联接)。如稍后所述，液体充满径向内侧液体环形空间17(另见凹槽80，图4C和7)，来自入口18的气体通过虹吸管19与来自液体环形空间17的液体混合，形成乳化作用和乳化的气液混合物。这种乳化的混合物被吸入微通道毛细管道20中。

毛细管道2从径向内近端区域延伸至径向外侧或远侧环形空间区域。毛细管道20的径向远侧出口或输出端口布置在增压气体储存腔24内的某处。毛细管道的远侧输出终端应沿气体压缩壳体12的径向内侧表面，但相对于轴向输入端口位置的轴向终端位置可根据液体和气体的组成、旋转速度和其他设计因素进行设计。从相应的虹吸管道或通道19向每个毛细管道输入乳化的气液混合物。

尽管图1显示了单层毛细管道，但可以在气体压缩壳体12的径向延伸壁中限定多层管道。毛细管道可形成为一系列圆盘，同轴地堆叠，并且圆盘外端朝液体的环形湖4下方的环形空间敞开。此外，通向毛细管道的这些堆叠盘的虹吸通道不需要轴向对齐，而是可以轴向交错，正如之前彻丽的专利公开中所述。通向毛细管道的虹吸管道或通道是一一对应的。毛细管道的输出端口可以位于远离管道20的径向内侧端口的轴向位置的各种轴向位置。术语“轴向位置”旨在区分沿旋转轴线间隔开的部件，例如，气体入口18(图1)位于与增压气体出口通道60的轴向位置隔开的轴向位置(图2A)。

毛细管的尺寸由内管径决定，以允许气泡密封管道，并防止任何液体到达气泡周围。此处的毛细管道或通道为微通道，尺寸近似为3.0mm至约0.5mm。通过微通道毛细管这种方式，气泡上方(相对于气泡的径向内侧)的液体一定会迫使气泡沿毛细管道的长度行进，并在管道的高压端离开，而不是让浮力迫使气泡返回管道的低压侧(管道的径向内侧区域)。

气体压缩机壳体12旋转，液体4如图1右侧部分的阴影线所示。压缩毛细管道20中的气泡后，压缩的气液乳液离开多个毛细管道，气液乳液的液体部分在压缩壳体12内侧的径向远侧空间中形成环形液体带或环形湖4。在毛细管道20的出口附近，气液乳液比在远离出口的其他位置具有更多的压缩气体，因为乳液以气泡的形式释放压缩气体，这些气泡在环形湖4的表面破裂。有时这里的术语压缩气液乳液指的是环形湖4的这种动态状态。该环形液体带或湖4的径向高度为液体密封水平42。环形液体湖或环形带如图1右侧部分的阴影线所示。

如箭头27所示，气体从径向外部环形空间中的压缩气液乳液环形湖4中释放，压缩气体漂浮到环形湖4上方附近的开放环形空间。压缩机的作用就像离心机，在旋转场中通过密度迫使材料分离。因此，气体由于这种离心作用而释放。如箭头27所示，气体沿径向向内移动，进入并穿过气体储存腔24，进入增压气体通道60(如图2A和2B所示)。然后，气体在涡轮轴32内的中空管腔或通道中行进，并在压缩气体出口30处离开组合系统10。

当环形湖4的液体水平42达到的径向高度大于径向内侧突出的气液分离峰或坝34时，一部分液体溢出坝或峰屏障34进入另一环形区域，该另一环形区域在轴向上与减速能量回收涡轮板或动叶14相邻。换句话说，溢出液体经过排出间隙171(图1)，该间隙由涡轮边缘和壳体12的内侧壁限定。尽管轴向空间气体腔24中的环形湖主要为乳液，但当乳液经过坝或峰34时，大部分压缩气体已经离开乳液。结果是含有气体溶质的液体(在溶液中的气体而不是压缩的气泡)。在操作上，与毛细管道输出口轴向相邻的乳液具有更多的压缩气泡(压缩气液乳液)，但当乳液在环形湖中向排出间隙171移动时，由于压缩气泡离开乳液，压缩气体越来越少。因此，认为经过坝34的流体主要是在液体溶液中的气体。因此，这里使用术语“溢出液体”。在溢出液体里可能有一些气泡，但认为大部分气体是溶质。来自峰或坝34的溢出液体进入涡轮动叶14的液体回流入口40，该液体行进穿过径向向内引导的液体回流管道或通道44。参见图2A。液体回流入口40形成用于涡轮动叶或板14的流体捕获静叶。在近侧、径向内侧位置，液体回流管道44形成液体回流出口46。液体回流管道44在回流入口40的下游也形成了捕获静叶，这些静叶将动能转换为涡轮动叶轴扭矩。液体被捕获并送达到在截头锥形阀芯底座25内部形成的中心锥形腔26中。然后，液体回流或再循环至虹吸通道19附近的径向内侧液体环形空间17。参见图4C和图7。

如图1可以看出，由于离心力水平较高，环形湖形成了U形环形液体密封，其一端由外部壳体12的径向延伸壁(这些壁通常在其中形成并限定多个毛细管道)轴向地界定，其相对的轴向端由外部壳体12的内侧表面轴向地界定。然而，由于在气体储存腔24中捕获压缩气体而积聚压力，此自由气体压力形成环形液体密封的U形。增压腔24在轴向上由压力板23和能量回收涡轮(ERT)涡轮动叶或板14界定。如图1所示，压力板23和涡轮板14的径向范围基本上相同。气液分离坝或峰34在轴向上更靠近涡轮板14，以增加从环形湖4压缩的气液乳液中散发出的压缩气体量。环形湖4暴露于压缩气体储存腔24的表面的长轴向跨度增加了湖释放的压缩气体量。湖4暴露于气体腔24的表面由压力板23和涡轮板或动叶14限定。尽管一些轴向地溢出坝-峰34的乳液包含夹带的气泡(压缩乳液中的气泡)，但由于坝34和压力板23之间的轴向表面积较大，大多数压缩气体离开乳液环形湖，因此轴向溢出的主要是液体(溢出液体)。主要地，液体在限定入口40的涡轮动叶边缘处进入液体回流入口40。

为了减少和传递来自组合系统10的热量，内部传热翅片50沿气体压缩机壳体12的径向内侧表面布置。这些传热翅片5将热量传递到外部散热翅片或风扇52上。该翅片的厚度、径向高度、数量和间距(翅片伸入气体储存腔24的距离)是根据待压缩的气体、液体的类型、旋转速度和部分组成(塑料、铝、不同类型的黑色金属等)的设计问题。此外，翅片的同心位置是设计设计。

如本文所述，气体压缩壳体12沿方向5旋转，导致气泡在流经多个毛细管道20的液气乳液中被压缩，压缩的气体从压缩的气液环形湖4释放到环形空间气体储存腔24.

图2A图解示出了减速能量回收涡轮子系统的主要部分。压力板2、截头锥形阀芯底座25和涡轮动叶14连接在一起，并作为单元在气体压缩壳体12的内部旋转。在涡轮板14内形成若干个液体回流管道44。液体在液体回流出口46处离开管道44。来自增压气体储存腔24的气体从腔24移动经过增压气体通道60进入轴32的内部腔，并最终从压缩气体出口30离开。

图2B图解示出了增压气体通道60和液体回流出口46的细节。

图3A显示了气体压缩壳体12和外部散热翅片52。

图3B示意性示出了带有外部翅片52的气体压缩壳体12的外侧。

图4A示出了气体入口止挡件70，在启动期间，该止挡件70轴向向内移动，以部分关闭气体入口18。如箭头71所示，止挡件在启动期间向内移动。在运行期间，止挡件70a沿方向73轴向向外移动。图4A还显示了液体循环回路72。

图4B显示了毛细管道20和径向内侧液体环形空间17的细节。

图4C和图7显示了多个毛细管道20，通向U形虹吸管线19的气体入口18，虹吸管线19的输出部分是毛细管道20的输入口。在径向内侧液体环形空间17中也显示了凹槽80。毛细管道的输入端口位于气体入口通道18的输出口和U形虹吸管道19的底部的接合或相交处。U形虹吸管道19的另一个输入腿通向径向内侧液体环形空间17。

图5A显示了压缩机外部壳体12机械地联接到联接器110，并最终与原动机112联接或连接。在气体压缩壳体12的内部，由压力板23、截头锥形阀芯底座25和涡轮板或动叶14形成涡轮子系统。涡轮子系统的轴32通过联接器114联接到发电机116。发电机116的电力输出在经受功率信号调节器之后提供给原动机112。

图5B显示了气体压缩壳体12，内部涡轮子系统布置在其中，涡轮子系统轴32连接到联接器1 14并且联接至另一个机械联接器系统152。机械联接器系统152可以是最终以机械方式连接到原动机112的一系列齿轮或皮带或其他机械传动系统。

图6图解示出了涡轮子系统，该涡轮子系统包括压力板23、截头锥形阀芯底座25和涡轮板或动叶14。液体进入液体回流入口40，该入口40通往液体回流管道或通道44。液体离开通44，并且送达至截头锥形腔26的内部。

图7示意性示出了多个毛细管道20，该多个毛细管道20在气体通道18输出口和吸入管线19的相交处具有径向内侧入口或输入端口。U形吸入管线在其底部与气体入口18流体联接。U形吸入管线19的另一端朝向在径向内侧液体环形空间17内形成的凹槽80敞开。气体止挡件70a打开和关闭通至气体入口18的入口。

图8显示了毛细输入端口处的雉堞形管道端。这些将在下面描述。

系统运行-液体能量守恒

假设液体的能量是守恒的，伯努利方程指出，在系统的任何给定位置，液体的能量(忽略由摩擦引起的热形式的损失)是：

其中：

1)H＝总液体能量头，或更简单地说，头

2)z＝高度头：就本文讨论的离心装置而言，即该离心装置距离旋转轴线的径向距离。

3)压力/(液体密度x重力加速度)。

4)速度平方/(2x重力加速度)。

5)在本文讨论的离心装置中，g被替换为g的倍数，g的倍数取决于液体的角加速度，而不是重力加速度。

如果液体流中的头必须在流中的任何一点保持恒定，并且系统将角速度从ωeh减慢到ωert，则能量将转移到项中z分量，液体朝向旋转轴线提升。

旋转体

该装置主要由两个独立旋转体(参见图中的ωeh5和ωert7)，外部旋转压缩机壳体12和内部能量回收涡轮板14组成。两个体12和14在运行期间以相同的方向旋转，外部旋转壳体12由原动机(角速度＝ωeh，方向5)驱动，能量回收涡轮14主要通过液体中的角动量转换成扭矩和一些液体摩擦而以较慢的速率旋转(角速度＝ωert，方向7)。涡轮14连接到发电机(图1中未示出，但该发电机联接到旋转轴32)，以便将轴扭矩转换为回收的电能。

可以调节该电能发电机，使能量回收涡轮(ERT)涡轮14减速，刚好使涡轮转轮中的液体柱(见液体回流管线44)延长至内侧排放喷嘴(液体出口46)，从而使废水回到压缩机叶轮入口，开始下一个压缩循环。从出口46排出的液体被输入中心锥形腔26，由于气体通过入口18，该液体通过虹吸管19用于产生乳液，然后通过虹吸效应，乳液被输入毛细压缩管道的入口(示出了一根管道作为毛细管道20)。来自发电机(见图5A)的回收电能可以直接反馈至原动机或电网系统(未显示)，该发电机由涡轮14和轴32驱动，从而减少压缩机运行所消耗的总能量。

该装置可以在水平或竖直方向旋转轴下运行。只要两个主体12、14能够独立旋转，就可以使用轴承独立支撑或连结两个主体。此运行类似于流体联接器的运行和福廷格(Foettinger)原理。由叶轮赋予液体的能量存在于离开叶轮的液体的角速度/角动量中，这种高能液体随后以最大直径进入涡轮，并且因为在液体减速时液体的角动量/速度转换回轴扭矩(在旋转中心的角速度/动量等于零)，所以将这种旋转能量传输给涡轮。

在任何给定的每分钟转数下，液体中的能量与其距离中心的径向距离直接相关，离中心越远，液体的能量含量越高(假设旋转设备和液体之间没有滑动)。因此，根据定义，如果液体受到径向通道的约束而以能量回收涡轮的速度旋转，则液体的能量一定随着其接近旋转中心而降低。没有涡轮通道的物理约束时，动量守恒会导致角速度随着液体接近旋转中心而加快。在径向通道的物理约束下，能量守恒导致角动量的减小转化为轴扭矩。

气泡压缩装置12、20和带有能量回收涡轮(ERT)涡轮14的径向形成的环形湖4包括用于压缩的固定量的液体。在某些运行条件下，可能需要利用外部储液罐来接受储存腔内液体体积从低压到高压的变化。

辅助储存腔或贮液器是外部的，并且相对于压缩机12是静止的。这种辅助存储的一个例子是使用排出圈侧液体密封的铲斗(scoop)，该铲斗定位成当中心气体储存区液体从中心移位时去除任何多余的水/液体。铲斗可以设计成使得液体密封不会达到排出圈的内径(ID)，从而防止溢出。以类似的方式，当排出圈液体密封水平偏离中心时(这表示需要更多的液体)，位于排出圈的浮子控制端口可以添加或供应额外的水/液体。浮子或表面滑橇(ski)将保持填充管道关闭，防止向其添加液体，直到表面从端口下降，浮子或滑橇将打开端口以允许液体进入排出圈，直到排出圈的高度恢复到设计水平。

液体通过压缩过程再循环，但仍包含在外部壳体12内。离心力将液体相对于旋转轴线向远侧推到旋转的外侧。液体回流管道44是连续弯曲的弧形形状，该弧形形状从动叶或通道输入口处的径向远端涡轮前缘40到径向内侧后缘46或动叶输出口。在本实施例中，管道44限定在能量回收涡轮14中，该涡轮的旋转速度比旋转外部壳体12慢。环形湖4中的液体驱动涡轮动叶14。通过将液体“提升”回旋转中心以及减慢液体速度而将液体的角动量转换为扭矩，动叶14中连续弯曲的液体回流管道44将动能/角动量转换为势能/轴扭矩。连续弯曲的涡轮动叶而不是管道44可以在排出间隙171处铲取溢出的液体，并且驱动涡轮14。

如果外部壳体12和能量回收涡轮动叶14的旋转速度差足够大，则液体回到组合系统10的中心锥形腔26。通过控制速度差来控制回流液体的流速。

在彻丽的807和261专利公开中描述了乳液产生装置供应一系列径向导向压缩管道20。

本实施例中的乳液产生装置新颖之处在于其采用单独的虹吸管19而不是喷射器或增压喷雾器。从各自的虹吸子系统向每个毛细管道供应乳液。虹吸装置19的特征包括凹槽80(图4C和图7)，以使液体表面为虹吸管道进入口保持在正确的水平上。作为虹吸乳化器的替代品，可以使用雉堞形管道而不是U形虹吸子系统。

虹吸管19通过如下方式工作：迫使液体提升到圆形凹槽80中堰控制的液位的上方(接近旋转中心轴线)(图4C和图7)。凹槽80中形成的堰是远处延伸的小径向壁，该堰在凹槽80中形成液体池，以调节通过虹吸通道19的流量。液体凹槽供给虹吸乳化器系统。凹槽80(图4C和图7)是径向内侧液体环形空间17的一部分(图4B)。

在离心力场中，负压迅速增加。通过将离心地增强的高密度压缩流体提升至凹槽80中的大气液位以上来产生负压。虹吸管19中的压力低于1ATM。

在水基系统中，负压可以增加，使得水中的气体“沸腾”且离开水。

随着堰的径向外侧范围、深度或距离的增加(堰槽壁相对于轴向旋转中心线的相对距离或高度)，受堰控制的池液位增加(凹槽80中的液位变高)，液体的绝对压力降低，并且策略性地位于虹吸管19的亚大气压区域中(例如，在U形虹吸管的底部，或换句话说，在U形虹吸管的最近的径向位置)的精密孔口由于压差从气体通道吸入气体。通过气体入口18和进气口16提供的气体在入口/虹吸管接口处产生气液乳液，该接口有效地作为相应毛细管道的输入端口。将虹吸管19的“虹吸点”处的孔口(图7中，气体入口18和虹吸19接口处的U形虹吸管通道19的底部)移动靠近轴向旋转中心线，这增加了入口18中的气体和堰凹槽80中的液体之间的压差，并且使更多的气体被吸入并与虹吸通道19中的液体一起乳化。相反，孔口/虹吸接口越靠近凹槽80中的池液位(接口径向向外移动)，吸入液体乳液的气体就越少。将空气进入的点移动到槽内相对于平衡大气的液面高度，这会改变压差，从而改变空气流量。

应注意的是，其他的虹吸管的形状和设计(除U形虹吸管外)可以产生供应给各相应的毛细管道的乳液。给定某些液体和气体组合以及运行条件，形成虹吸作用的任何类型的结构都可利用。此外，气体入口18可位于沿轴向前端(轴向上更靠近进气口16)或轴向后端(轴向上更靠近压缩气体出口30)的其它位置。

此设计特征可用于调整和调节流经压缩机的气体流量，以匹配或满足系统对压缩气体的需求，同时使压缩机的每分钟转数保持恒定，以保持期望的或目标压力。

压缩气体被捕获在气体储存腔区域24中，该腔在一个轴向端处由压力板23封闭，其远端由形成锥形腔26的壁封闭，而在另一个轴向端处由能量回收涡轮壁或板14和通过离心力产生的液体密封40封闭。液体密封40形成为环形液体湖4的表面。如图1所示，轴向向前和向后的液体密封水平42在压力板23和涡轮板14的轴向外侧，液体密封水平42距系统10的轴向中心线基本上相同的径向距离，但腔24中的压缩气体限定了环形湖4的表面，该表面在相对于液体密封水平42的径向远端位置。因此，在运行中，液体密封是U形的，环形湖形成U形的径向远端部分，U形腿形成液体密封水平42。

在腔24中捕获的增压气体通过端口从气体储存区域24移动到压缩气体出口30。图1示出气体沿箭头27的运动。图2A示出了增压气体通道60，该增压气体通道60在储存腔24(图1)和形成在轴32中的气体出口30之间延伸。

当混合为乳液时，压缩热在压缩管道中从气体转移到液体。为了达到恒温平衡，捕获的热量必须从系统中去除。铝制压缩机壳体的传热速率不足以将每立方英尺500瓦的压缩热通过压缩机的壁带走(压缩产生的压缩热量随最终压力而变化)。因此，需要大量的“U”形微管，以允许最大的传热速率。这些管道的内部尺寸小于传统散热器设计中通常存在的液体边界层膜，因此防止了现有情况下，在目前散热器通道中发现的扩散限制传热率热障。此外，这些管道经过处理，产生了超亲水表面，以尽量减少管道内的润湿角和水力摩擦。

微管混合翅片/风扇系统应使表面积最大，使空气侧边界层厚度最小。这种微管混合式翅片/风扇系统在题为“空气冷却换热器的全新方法”的报告(Sandia报告#Sand2010-0258)中进行了解释。微管混合翅片/风扇系统迫使足够的空气通过这个大的表面积，以最小的ΔT带走压缩热量。根据经验，ΔT越小，散热所需的表面积就越大。这些外部混合翅片/风扇“U”形微管固定在外部旋转壳体的外部，并且以作为风扇动叶52并迫使空气通过外部散热翅片/风扇的表面的方式布置。此外，这些微管翅片/风扇的设计方式促进了液体通过微通道换热器的流动，使双旋转壳体12、14外部的空气与液体之间的传热速率最大化。

图8示意性地示出了使用径向内侧延伸的雉堞形管道202作为乳化装置，以产生乳化气液，该乳化气液输入每个毛细管道20的输入口。阀芯25的环锥形内部空间26在气体入口16附近具有轴向区域26a。如图8所示，气体通道214朝向气体入口16(见图1)流体地敞开(即气体式打开)。气流控制图中未示，但可类似于图4A所示的气流控制。

每个毛细管道20的径向内侧终端终止于雉堞形管道202。每个雉堞形管道都有多个狭槽、槽或切口202，通过这些狭槽、槽或切口202，气体被循环液体210吸入管道200中，该循环液体沿截头锥形阀芯底座25的径向内壁流动。循环液体(即，通过动叶通道收集到的溢出液体)从涡轮动叶的液体回流出口46流出，并径向地被推入截头锥形底座25的锥形腔26的内侧表面(见图1)。由于锥形腔26的径向较宽的轴向端26a(见图8)，该轴向端在轴向上靠近毛细管道输入端口，所以循环液体被轴向地推向凹槽80。溢出的液体流210在锥形腔26的轴向端中，然后部分填充凹槽80。由于壳体12的旋转，凹槽80中溢出的液体流210被输入毛细管道20的输入端口，雉堞形狭槽202捕获并将气体从轴向区域26a吸入毛细管道20中，从而产生气液乳化，该乳化器被送入毛细管道20。

在测试虹吸乳液进入口的过程中，被测试的构造中的一个是将虹吸盖移除了，只留下压缩毛细管道，该压缩毛细管道由开槽的间隔管道围绕，间隔管道将虹吸盖与压缩管道的中心线保持同心。间隔管道中的狭槽旨在允许液体在压缩管道和虹吸盖之间流动。

在现有技术中，泰勒离心式气体压缩机被认为是简单的溢出唇口导致一些气体压缩腔。然而，泰勒没有使用毛细管道。

被测试的一个运行理论表明，在凹槽80中水的表面张力下，仅用很小的压缩毛细管道进入口不能产生足够的气液乳液。

然而，当压缩毛细管道以径向向内延伸的雉堞形管道终止时，通过毛细管道的雉堞形进入端口或狭槽的液体抽吸的确以与使用虹吸盖时相似的方式夹带了空气。使用雉堞形管道端200是意料之外的结果。压缩管道20中可见的空气量似乎随堰后面凹槽80中的水位而变化。在低水位时，压缩管道内可见少量的空气。随着水位的升高，压缩管道内气泡浓度的密度或离散气泡数也升高达到一定值。随着水位的进一步升高，气泡减少，直到进入口看起来被淹没，压缩管道中只有水可见。可以观察到空气与水流的变化遵循了钟形曲线。

雉堞形管道200是通过将管道的外径分成六段，然后每隔一段去除材料来构建的。这就形成了雉堞形进入口，其带有三个允许水进入的空间，这些空间由三个60度的实心管壁段隔开。据信，这些阻塞水流的物理壁障碍或壁齿在壁段的每一侧产生湍流涡流，产生在实心段中心线附近相遇的反向旋转旋涡。实心段内壁和这些漩涡之间的间隙似乎将空气或气体引入水中。当凹槽80中的水位或液位上升时，会达到一个点，在该点，涡流停止引入空气或引入的空气会鼓泡回到径向外侧表面并且在水流将气泡吸入压缩管道之前逸出。一旦空气不再能进入压缩毛细管道并沿着压缩毛细管道的长度移动时，这种停止空气引入可被称为“淹没的进入口”。狭槽202的径向范围是“狭槽长度”，狭槽长度比可以是D的2倍，其中D是雉堞形管道终点200的内径。

运行说明

该装置在静止状态下启动，气体压缩壳体12的内部底板(径向内侧液体环形空间17)被液体淹没，气体入口端口被堵塞。图4A示出气体入口止挡件70，该止挡件沿轴向中心线移动到预定的轴向位置以关闭(至少部分关闭)气体入口端口18，然后打开气体入口端口18。外部壳体12由原动机驱动，能量回收涡轮14在只由两个本体12、14之间液体的摩擦驱动下，可以自由独立旋转。当装置开始旋转时(由外部壳体12驱动，内部回收涡轮由流体流动驱动)，离心力启动在乳液生成装置中的虹吸过程，被淹没的虹吸管19开始径向地通过压缩管道20从中心或凹槽80抽吸液体(图4C和图7)，并且将带有压缩气体的乳液沉积在外部压缩机壳体12的内壁上。这形成了图1中的阴影线所示的环形液体湖4。

如果允许能量回收涡轮动叶14以与外部壳体12相同的速率旋转，则所有液体将移动到旋转外部并保持在那里。然而，如果能量回收涡轮14以受控方式主动制动(减速)，则液体被提升回中心以供再次使用。参见图1，密封水平42。

一旦达到仅液体的稳定状态，即，外部壳体12处于运行速度，并且能量回收涡轮14被充分制动以驱动通过该装置的期望的液体流速，虹吸管19中的气体入口端口18通向进气轴中的气体气氛。端口18通过将气体入口止挡件70轴向地抽出远离气体入口端口18的轴向位置而打开，离心增强的液体虹吸管从气体入口端口18抽吸气体，将气体与凹槽80中的液体混合，并将乳化的气/液混合物输送到压缩管道20中。

而在毛细管道中，乳化的气体/液体混合物形成气泡串，从而开始彻丽的807和261中描述的等温压缩过程。

气体/液体乳液从压缩管道的径向远端沿外部壳体12的内壁，从乳液生成装置向能量回收涡轮动叶14的径向外缘(远端)移动。液体/气体乳化混合物通过一个或更多个直径减小的部分，气体/液体分离峰34从外部壳体12的内侧表面径向向内延伸，以促进气泡在压缩乳化混合物达到能量回收涡轮动叶14之前与液体分离，并离开增压气体储存区24。

分离的气体收集在气体储存区24，由液体柱密封(见环形湖4的密封水平)，该液体柱在能量回收涡轮14和压力板23的外侧壁。增压的气体通过腔24(见图1中箭头27)和增压气体通道60(图2A和图2B)离开装置。这些通道60将增压气体储存24区域和形成在轴32中的压缩气体出口30连结起来，从中收集气体。

通过嵌入在能量回收涡轮叶片14的壁内的液体回流管道44的模式，溢出坝34的分离液体被收集并且返回循环的起点。液体回流管道44具有连续弯曲的弧形形状，该弧形形状从动叶或通道输入口处的径向远端前缘至径向内侧后缘或动叶输出口。考虑到外部壳体12和能量回收涡轮14之间的相对角速度差，其中能量回收涡轮速度始终较慢，导致液体回流管道44相对于快速移动的迎面液体流充当了面向前的皮托管道，并将液体提升回中心(液压上升以实现径向向内流动)。如果外部壳体12和能量回收涡轮14的转速差足够大，则液体返回能量回收涡轮14的中心锥形腔26。控制速度差从而控制回流液体流速，从而控制压缩装置制造的压缩气体流量。液体回流管道出口46将液体沉积或送达到锥形中心腔26的液压高端，在那里离心力恢复控制并将其移回虹吸凹槽80以再次开始该过程。毛细管道，而不是凹槽80中的虹吸管，可以终止于径向向内突进凹槽80的雉堞形端。

与从环形湖4溢出液体中回收的动能不同，上文讨论的气体压缩机可以构造为回收液体并忽略能量回收。以这种方式，在启动期间，通过制动器B170(图5B)来制动涡轮，并且省略与原动机112的机械联接或传输152(或与原动机的联接分离)。如果允许涡轮动叶14以与外部壳体12以相同的速率旋转，则所有液体都会移动到旋转外部并保持在那里。在液体回收机中，如果涡轮14以受控方式主动制动(减速)，液体将被提升回中心以供再次使用。见图1，密封水平42。一旦达到仅液体的稳定状态，即外部壳体12处于运行速度，并且涡轮14被充分制动，以驱动通过该装置的期望的液体流速，虹吸管19中的气体入口端口18通向进气口轴中的气体气氛。因此，制动器B170对由涡轮动叶14、底座25和压力板23形成的阀芯的轴向延伸部27具有可变的制动或控制效果。

工业适用性

在气体压缩机中，一种用于(a)集成能量回收涡轮子系统的系统，或者(b)不包括能量回收的液体循环气体压缩机的系统，该能量回收涡轮子系统采用了微通道毛细管道。

本文的权利要求旨在涵盖本发明范围和精神范围内的修改。

Claims (10)

1.一种通过原动机旋转的气体压缩机，气体压缩机具有可独立旋转的输出轴，气体压缩机包括：

由所述原动机可旋转地驱动的基本上中空的圆柱形壳体；

多个毛细管道，毛细管道形成在所述旋转中空圆柱形壳体内并与其一起旋转，每个毛细管道具有接近旋转轴线的径向内侧输入端口，并且每个毛细管道具有靠近所述旋转中空圆柱形壳体的内侧壁的径向远侧输出端口，输出端口终止于在所述中空圆柱形壳体内形成的环形腔中；

多个乳化器，其具有各自的乳化器输出口，乳化器输出口设置在所述多个毛细管道输入端口的径向内侧，各个乳化器输出口均流体地联接至相应的毛细管道输入端口以向其供应气液乳液；

其中所述多个毛细管道通过穿过其中的所述气液乳液的毛细作用而形成压缩气体乳液；

内部阀芯，其可旋转地安装在所述环形腔中并且独立于所述旋转中空圆柱形壳体而旋转，所述内部阀芯具有作为所述输出轴的轴向延伸部；

所述内部阀芯具有涡轮动叶，所述涡轮动叶使所述阀芯在所述环形腔中旋转，所述涡轮动叶具有动叶边缘；

所述环形腔限定环形压缩气体腔，并且包括压缩气液乳液的环形湖，所述环形湖由从毛细管道输出端口输出的压缩气液乳液形成，所述压缩气体腔包括来自于所述环形湖的所述压缩气液乳液的压缩气体；

涡轮动叶边缘具有多个流体捕获静叶，这些静叶径向地向远侧延伸到所述环形湖中，从而将所述环形湖中的所述压缩气液乳液的角速度和角动量之一或两者都转换为施加在所述输出轴上的涡轮轴扭矩。

2.根据权利要求11的气体压缩机，其中：

所述内部阀芯包括在一个轴向阀芯端处的压力板和在另一轴向阀芯端处的所述涡轮动叶，所述压力板和所述涡轮动叶具有基本上相同的径向范围并且在其间形成所述环形压缩气体腔，所述压力板比所述涡轮动叶在轴向上更靠近所述多个乳化器；

所述环形湖在所述压力板和所述涡轮动叶之间形成液体密封，所述环形湖在所述压力板和所述涡轮动叶之间具有轴向长度和径向湖深度，所述深度大于所述涡轮动叶边缘和所述中空圆柱形壳体的所述内侧壁之间的径向空间；

在所述环形湖下方的坝从所述中空圆柱形壳体的所述内侧壁径向地向内突出，所述坝的径向高度小于所述环形湖的径向深度；

所述环形湖中的一部分所述压缩气液乳液溢出所述坝，以作为溢出液体；

所述多个流体捕获静叶径向地向远侧延伸到所述溢出液体中，并且所述溢出液体通过与所述静叶的共同作用来驱动所述涡轮动叶。

3.根据权利要求1或2的气体压缩机，其中：

所述流体捕获静叶是从所述涡轮动叶边缘开始的多个连续弯曲的弧形通道，每个连续弯曲的弧形通道具有在所述环形湖中的前缘和终止于径向内侧的阀芯位置的径向内侧后缘。

4.根据权利要求3的气体压缩机，其中：

所述阀芯包括在所述涡轮动叶和所述压力板之间的中空同轴截头锥形底座，使得所述阀芯由所述压力板、所述截头锥形底座和所述涡轮动叶限定；

所述多个通道的每个所述径向内侧后缘流体地联接至中心锥形液体收集腔，所述中心锥形液体收集腔限定在所述中空同轴截头锥形底座中；

径向内侧液体环形空间轴向地位于所述压力板附近，并且位于所述中心锥形液体收集腔的与所述涡轮动叶的轴向位置相对的一个轴向端处；并且

从所述径向内侧液体环形空间向所述多个乳化器供应液体。

5.根据权利要求4的气体压缩机，包括：

堰，所述堰在所述径向内侧液体环形空间中以控制其中的液体的径向深度，所述堰形成待供给到所述多个乳化器的液体的环形池。

6.根据权利要求5的气体压缩机，其中：

所述多个乳化器中的每一个均具有虹吸通道，所述虹吸通道在通至相应的乳化器输出口的所述环形池和用于每个相应毛细管道的各自的输入端口之间延伸；

气体入口向每个相应的虹吸通道供应气体；

从而通过所述虹吸通道、所述气体入口和所述环形池产生所述气液乳液。

7.根据权利要求1、4或5的气体压缩机，其中所述多个乳化器是形成在所述多个毛细管道的径向近侧终端处的多个雉堞形管道端。

8.根据权利要求1、4、5或7的气体压缩机，包括传热子系统，所述传热子系统包括一个或更多个内部延伸的传热翅片和一个或更多个外部延伸的传热翅片，所述内部传热翅片延伸到压缩气液乳液的所述环形湖中，所述外部传热翅片在所述中空圆柱形壳体的外侧延伸。

9.根据权利要求1、4、5或7的气体压缩机，所述内部阀芯的所述轴向延伸部是作为所述输出轴的外侧轴向延伸部，其从所述中空圆柱形壳体同轴地向外延伸；气体压缩机通过利用施加在所述输出轴上的所述涡轮轴扭矩来提供能量回收。

10.根据权利要求4、5、6或7的气体压缩机，其中来自所述径向内侧液体环形空间的所述液体是再循环液体，所述压缩机包括：

制动器，其可操作地联接至所述阀芯或所述输出轴；

从而所述气液乳液通过气体被所述再循环液体吸入到所述多个乳化器中而形成，其中由于作用在所述径向内侧液体环形空间中的所述再循环液体上的离心力，所述再循环液体被迫进入所述毛细管道的所述径向内侧输入端口。