Pompes et compresseurs pour fluides utilisant la chaleur comme source d'énergie.
La présente invention se rapporte à des pompes et à des compresseurs pour des fluides et plus particulièrement à une pompe ou compresseur de fluide qui utilise la chaleur comme source d'énergie.
Dans l'état actuel de la technologie, il existe un besoin de plus en plus important pour un appareil de pompage des fluides qui présente une durée en service extrêmement longue et qui utilise de l'énergie thermique à un grand rendement. Pour de nombreuses applications, dont les plus évidentes sont les applications aérospatiales, on a particulièrement besoin de systèmes d'énergie fournissant de la force motrice qui sont capables d'utiliser d'une façon avantageuse une énergie thermique existante. Dans de telles applications, des équipements plus classiques tels que ceux qui sont constitués par des pompes alternatives ou à piston types servant à déplacer un fluide ne donnent pas satisfaction par suite de l'énergie électrique qu'elles demandent et du nombre d'éléments en mouvement qu'elles contiennent et qui sont soumis à l'usure.Il est évident que pour de telles applications, il est essentiel que les équipements et les appareils présentent une sécurité de fonctionnement extrême. Pour convenir à un grand nombre d'applications technologiques, de tels systèmes fournissant de la force motrice ne doivent avoir que des exigences modestes en énergie calorifique, ne doivent pas comporter d'éléments en mouvement susceptibles d'être usés par contact mécanique et doivent être d'un modèle simple et peu coûteux.
Les pompes et les compresseurs thermiques connus dans la technique antérieure n'ont pas en général répondu d'une façon satisfaisante à ces divers critères et à ces diverses exigences par suite en partie de leur complication et de leur rendement relativement bas. Par exemple, dans un grand nombre de dispositifs de pompage thermique connus actuellement, l'efficacité du pompage est limitée par le fait que la totalité du fluide n'est pas évacuée de l'appareil de pompage pendant un cycle donné quelconque.Lorsque la chaleur constitue la source d'énergie servant à déplacer des fluides de l'appareil de pompage, la température des fluides résiduels qui restent à l'intérieur de l'appareil à la fin d'un cycle est diminuée depuis une température prédéterminée et cette température doit être augmentée au cours du cycle suivant jusqu'à cette température prédéterminée. La chaleur nécessaire pour produire un tel accroissement de température est en fait perdue à l'intérieur du système. Un appareil capable de déplacer des fluides au moyen d'énergie thermique est également particulièrement avantageux en liaison avec des machines et des équipements dans lesquels on dispose de chaleur qui constitue normalement un sous-produit inutilisé du système.De telles machines, équipements et systèmes comprennent par exemple des systèmes de réfrigération, des équipements utilisés avec des véhicules, des systèmes pneumatiques, des dispositifs lubrifiés par gaz etc. qui ont besoin d'une longue durée en service continue et dans lesquels on trouve facilement une source continue de chaleur.
En conséquence la présente invention a pour but de fournir un appareil servant à déplacer des fluides :
Dont la durée en service est extrêmement longue et qui comporte un nombre minimum d'éléments en mouvement, qui n'utilise que de l'énergie thermique comme source d'énergie; dont les dimensions et le poids sont réduits au minimum; fonctionnant thermiquement à un rendement plus élevé que de tels dispositifs connus dans la technique antérieure; qui est destiné à être utilisé comme pompe pour déplacer un liquide ou comme compresseur servant à mettre en mouvement un gaz ou une vapeur; Dont le fonctionnement est simple et qui peut être adapté à un grand nombre d'utilisations telles que par exemple la fourniture de liquide ou de gaz pour une énergie pneumatique, pour la production de courant électrique, pour des systèmes de réfrigération, etc.;Qui ne présente aucun risque de fuite indésirable ou de mélange de gaz et de liquide entre le côté haute pression et le côté basse pression de l'appareil; dans lequel les tolérances de fabrication peuvent être facilement maintenues et dont le modèle est simple et économique; actionné thermiquement et dont les demandes en puissance calorifique sont modestes; qui présente une sécurité de fonctionnement élevée.
D'une façon générale, la présente invention se rapporte à un appareil de pompage des fluides dans lesquels la chaleur extraite d'une source de chaleur sert à vaporiser un fluide de pompage se trouvant à l'intérieur d'une chambre fermée. La chaleur dont on dispose est suffisante pour faire bouillir ou vaporiser le fluide se trouvant à l'intérieur de la chambre de façon à accroître la pression interne régnant à l'intérieur de la chambre. Lorsque la pression interne atteint un niveau prédéterminé, une soupape de sortie s'ouvre et la vaporisation du liquide qui se trouve à l'intérieur de la chambre se poursuit suivant un processus à pression constante. Le liquide ou gaz est alors extrait de la chambre à cette pression constante prédéterminée et il est utilisé pour fournir un travail, par exemple pour entraîner une turbine ou pour pousser un piston.Après qu'un volume prédéterminé de liquide a été vaporisé à l'intérieur de la chambre, la soupape de sortie se ferme et un moyen de décompression est actionné afin de diminuer la pression régnant à l'intérieur de la chambre et de laisser une certaine quantité de liquide frais pénétrer dans la chambre. La soupape d'entrée du liquide se ferme après que le liquide a atteint un niveau prédéterminé dans la chambre et le cycle de l'appareil de pompage recommence alors.
Il va de soi que dans toute la description de la présente invention, l'appareil s'applique également à la fois au pompage des liquides ou à la compression des gaz et que lorsque l'appareil est décrit en liaison avec le déplacement d'un fluide, ces deux modes de fonctionnement sont envisagés. La présente invention peut s'appliquer particulièrement à n'importe quel circuit d'énergie dans lequel un liquide, un gaz ou une vapeur sous pression est utilisé pour effectuer un travail au moyen d'une turbine, d'une pompe, etc... En conséquence, la présente invention sera décrite pour des modes de réalisation représentatifs tels que ceux qui sont utilisés dans de tels systèmes de circuits d'énergie.
D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre faite en regard des dessins annexés qui donnent à titre explicatif mais nullement limitatif plusieurs formes de réalisation conformes à l'invention.
Sur ces dessins : La figure 1 est une vue en coupe en élévation d'un mode de réalisation représentatif de la présente invention suivant un mode de pompage d'un liquide au stade du cycle qui correspond à l'entrée du liquide; La figure 2 est une vue qui correspond à celle de la figure 1, la pompe se trouvant au début de la partie du cycle qui correspond à la sortie du liquide; La figure 3 est une vue qui correspond à celle des figures 1 et 2, la pompe se trouvant au point de décompression du cycle; La figure 4 est une vue schématique d'un circuit d'énergie utilisant la pompe thermique des figures 1, 2 et 3; La figure 5 est une vue partiellement schématique d'une première variante de la pompe thermique de la présente invention;La figure 6 est une vue en élévation semblable à celle de la figure 1 d'une variante de mode de réalisation à dérivation fonctionnant comme compresseur; La figure 7 est une vue correspondant à celle de la figure 6, représentant le compresseur au point de décompression de son cycle; La figure 8 est une vue schématique d'un circuit d'énergie selon la présente invention utilisant un compresseur thermique suivant le mode de réalisation des figures 1, 2 et 3, mais fonctionnant comme compresseur; La figure 9 est un schéma représentant les forces différentielles agissant de part et d'autre de la soupape à flotteur; La figure 10 est une vue partiellement schématique en coupe d'une variante d'un mode de réalisation de pompes multiples destinées à des conditions d'environnement particulières; La figure 11 est une vue en coupe suivant la ligne 11-11 de la figure 10.
Une pompe à commande thermique telle que celle qui est représentée sur les figures 1, 2 et 3, dans son mode présent de réalisation est une pompe à cycle automatique et comprend d'une façon générale un corps de pompe 30 formant une chambre cylindrique 31 à l'intérieur de laquelle est disposée une soupape à flotteur 55 qui sera décrite plus complètement ci-après. Dans le mode de réalisation représenté, un orifice d'entrée 34 pour le fluide et un orifice de sortie 35 pour le fluide communiquent avec la chambre 31 près de sa paroi d'extrémité inférieure 36. Dans le mode de réalisation représenté, on a représenté les orifices d'entrée et de sortie comme étant opposés diamétralement, bien que cette orientation ne soit pas obligatoire.Des clapets de retenue d'entrée 37 et de sortie 38 appropriés sont disposés dans les orifices d'entrée et de sortie de façon à ne laisser le fluide s'écouler que dans la direction appropriée. Les clapets de retenue représentés sont du type qui comporte une bille de retenue 40 disposée dans une cage 39 appropriée et qui est destinée à s'appuyer sur un siège de soupape conique 41. Des connecteurs appropriés 42 tels que des raccords filetés servent à relier une canalisation d'entrée 33 et une canalisation de sortie 32 aux orifices d'entrée et de sortie. Un élément de chauffage 45 est disposé à l'intérieur de la chambre 31 afin de fournir de la chaleur au fluide qui s'y trouve, comme décrit ci-après. N'importe quelle source de chaleur dont on peut disposer commodément peut être utilisée.Cependant, à titre d'illustration, on a représenté un élément de chauffage électrique à résistance et une source de courant 46.
De la partie supérieure de la chambre 31, un orifice de sortie du gaz est ménagé à travers la paroi supérieure 49 de l'enveloppe et il peut être man u̇vré pour s'ouvrir et se fermer par la soupape à flotteur 55. Dans le mode de réalisation représenté, un orifice de sortie 50 pour le gaz, indiqué ci-après comme orifice de décompression 50, est disposé sur l'axe longitudinal de la chambre et comporte un siège conique 51 qui diverge en partant du diamètre de l'orifice et en allant vers la chambre. Un connecteur approprié tel qu'un raccord 34 fileté, est fixé sur l'orifice de sortie du gaz afin de le relier à une canalisation de décompression 61. Une soupape à flotteur a une forme telle et elle est réalisée en une matière telle qu'elle flotte dans le liquide qui se trouve à l'intérieur de la chambre 31.Lorsque le liquide se trouve à un premier niveau prédéterminé qui est suffisamment élevé à l'intérieur de la chambre, la soupape à flotteur est levée à une position suivant laquelle elle ferme l'orifice de sortie 50 du gaz et le maintient fermé jusqu'à ce que le niveau du liquide tombe à un second niveau prédéterminé. Ainsi, dans le mode de réalisation représenté, la soupape à flotteur 33 comprend un corps cylindrique 56 muni d'une tige 57 s'étendant vers le haut. La tige est orientée verticalement (suivant l'orientation indiquée sur les figures) et elle est disposée au point central de la surface supérieure du corps 56 de la soupape à flotteur de telle sorte qu'elle coïncide sensiblement avec l'axe longitudinal du corps de pompe.Dans le présent mode de réalisation, la soupape à flotteur est réalisée en Nylon , bien que d'autres matières puissent être utilisées, comme on le verra en liaison avec la description du fonctionnement du dispositif et le fonctionnement de la soupape à flotteur. La longueur de la tige 50 dépend du niveau du liquide qui doit être maintenu dans la chambre, et de la longueur de la course de la surface de séparation liquide-gaz, comme décrit plus loin. La tige comporte un élément de soupape tel qu'une bille en métal 60 fixée à son extrémité supérieure et pouvant s'associer au siège de soupape 51.Le diamètre extérieur du corps 56 de la soupape à flotteur est sen--- 1 siblement moindre que le diamètre intérieur de la chambre 31 et il est déterminé par le volume de liquide qui doit être déplacé pour obtenir les forces de flottation nécessaires agissant sur la soupape à flotteur. Celle-ci ne fonctionne en aucune façon pour empêcher le liquide ou le gaz de passer d'une partie de la chambre à l'autre. La soupape à flotteur 55 a pour seule fonction d'ouvrir et de fermer l'orifice de sortie du gaz en un point prédéterminé du cycle de fonctionnement de la pompe qui dépend de la combinaison des forces qui agissent sur la soupape à flotteur.On peut se rendre compte très facilement des forces qui agissent sur la soupape à flotteur et de son fonctionnement par la description du fonctionnement de la présente invention sous sa forme la plus rudimentaire représentée sur les figures 1, 2 et 3.
C'est ainsi que le mode de réalisation des figures 1, 2 et 3 est représenté comme étant destiné à pomper un liquide de la canalisation de sortie de liquide 32.
A titre d'illustration, la pompe des figures 1, 2 et 3 est représentée sur la figure 4 montée dans un circuit d'énergie dans lequel un liquide sous pression est fourni à un appareil conçu comme un convertisseur 64. Le convertisseur 64 peut être l'un quelconque d'un grand nombre de dispositifs dans lesquels un liquide sous pression est fourni afin d'exécuter un travail utile. Un tel dispositif peut être par exemple une turbine, un piston, une génératrice, un palier lubrifié par un fluide ou un compresseur de réfrigération. Après avoir enlevé du liquide la chaleur et la pression en les transformant en un travail, le gaz à basse pression résultant est évacué du convertisseur vers un condenseur 65 qui se trouve sur le côté basse pression du système.
A titre d'exemple, le liquide est représenté comme passant de la pompe à une chaudière 66 qui fait partie du convertisseur 64. Le liquide est mis en ébullition par la fourniture d'une chaleur supplémentaire provenant d'une source de chaleur 67.
Le gaz est alors conduit à un appareil tel qu'une roue de turbine à réaction 68. Le gaz sous pression entraîne alors la roue de la turbine et il est évacué à pression réduite par la canalisation de sortie basse pression 69 et conduit au condenseur 65.
Après avoir traversé le condenseur, le gaz refroidi se liquéfie et il est emmagasiné dans un réservoir 70 comme source d'alimentation en liquide à l'aspiration de liquide de la pompe. La canalisation 61 de décompression du gaz est également reliée à la canalisation basse pression 69 allant au condenseur 65. Par suite, le côté haute pression de la pompe se trouve à la canalisation 32 de sortie du liquide à une pression indiquée comme étant Pl, la canalisation de décompression se trouve à la pression minimum du système fermé représenté sur la figure 4 à une pression indiquée par P3, tandis que la canalisation d'admission du liquide se trouve également 1.
à une basse pression indiquée par P2 qui dépasse P3 de la valeur de la hauteur de charge du liquide se trouvant dans le réservoir 70.
De cette façon, en se reportant maintenant aux figures 1 et 4, la pompe est représentée en un point de son cycle de fonctionnement où le liquide s'écoule dans la pompe en provenant du réservoir 70 et en traversant le clapet de retenue d'admission 37 qui est ouvert. La pression à l'intérieur de la chambre de pompe 31 est la pression de la canalisation de décompression 61 du fait que l'orifice 50 de décompression est ouvert. La soupape à flotteur 55 se trouve dans une position intermédiaire le long de son trajet du fait que comme on le voit sur la figure 1, le liquide provenant de l'admission a rempli partiellement la chambre. La soupape à flotteur flotte librement à l'intérieur du liquide et s'enfonce dans le liquide à une profondeur qui est déterminée par les forces de flottation agissant sur le corps de flotteur 56.Ainsi, le corps de la soupape à flotteur est plongé dans le liquide suivant la profondeur indiquée sur la figure à la ligne de flottaison 73. A mesure que le niveau du liquide continue à s'élever, la soupape à flotteur est entraînée vers le haut jusqu'à ce que l'élément de soupape 61 disposé sur la tige de soupape vienne en contact et s'appuie contre le siège de soupape de la canalisation de décompression. Du fait que le flotteur qui se déplace vers le haut présente une certaine force vive au moment de la fermeture de la canalisation de décompression il existe une certaine différence de pression immédiate entre la chambre et la ligne de décompression, et on obtient de cette façon une fermeture et un collage brusque delà soupape.Une certaine force est produite par cette différence de pression de part et d'autre de la soupape à flotteur par suite du fait que la surface transversale supérieure de celle-ci contre laquelle la pression qui règne dans la chambre agit est moindre que sa surface transversale inférieure de la quantité de surface qui est exposée à la canalisation de décompression, comme expliqué complètement ci-après. Après que la soupape à flotteur s'est appuyée sur son siège, le niveau du liquidé cesse de s'élever à l'intérieur de la chambre lorsque la pression du fluide à l'intérieur de la chambre dépasse légèrement celle du fluide de la canalisation d'admission et fait fermer le clapet de retenue d'admission 37.Du fait que l'élément de chauffage est excité pendant tout le fonctionnement de la pompe, le fluide se met à bouillir pendant la dernière partie de la partie de remplissage du cycle. Après que la soupape à flotteur s'est fermée, le liquide continue à bouillir et produit de la vapeur sous pression dans la chambre, audessus du niveau du liquide. Cette différence de pression entre la pression régnant dans la chambre et la pression dans la ligne de décompression produit une force différentielle dirigée vers le haut servant à maintenir la soupape à flotteur dans sa position appuyée sur son siège. Pour permettre la description, la partie de la chambre qui est remplie de liquide est indiquée par 31a, tandis que la partie qui est remplie de vapeur est désignée par 316.La surface du liquide constitue une surface de séparation qui se déplace vers le haut et vers le bas à l'intérieur de la chambre d'une façon comparable à la face de piston d'une pompe à piston mécanique. A mesure que rébullition se poursuit, la pression du gaz qui se trouve dans la partie 31b augmente, comme le fait la pression du liquide se trouvant dans la partie 31o.
En se reportant maintenant à la figure 2, le niveau du liquide est représenté comme se trouvant proche de son point le plus élevé immédiatement après l'ouverture du clapet de retenue de sortie 38.
C'est-à-direqu'après que le clapet deretenue d'admission et la soupape à flotteur se sont fermés, l'ébullition du liquide se poursuit et la pression de la vapeur et du liquide continue à augmenter en équilibre de pression jusqu'à ce que la pression du liquide atteigne la pression qui règne dans la canalisation de sortie du liquide. A ce point, le clapet de retenue de sortie s'ouvre. Lorsque le clapet de retenue de sortie 38 s'ouvre, il s'établit un nouvel équilibre de pression. Du fait que le volume de gaz produit par l'ébullition du liquide est considérablement plus important que le volume de liquide qui bout pour former cette vapeur, la pression de la vapeur et la pression du liquide restent à une valeur constante qui est la pression de refoulement de la pompe, c'est-à-dire la pression du liquide régnant dans la canalisation de sortie.Par suite, le liquide s'écoule de la pompe par la canalisation de sortie à une pression sensiblement constante et l'équilibre de pression à l'intérieur de la chambre 31 de la pompe reste à peu près constant à cette pression à mesure qu'une quantité de liquide supplémentaire est épuisée et quele niveau du liquide se déplace vers le bas. C'est-à-dire qu'il existe deux sources d'épuisement du liquide à l'intérieur de la pompe, la première étant celle qui va de la pompe à la canalisation de sortie et la seconde étant constituée par le liquidetransformé en gaz par l'ébullition.
Aussi longtemps que le taux volumétrique de gaz produit est égal au volume de liquide sortant de la pompe par la canalisation de sortie, la pression régnant à l'intérieur de la .chambre de la pompe reste constante, le liquide s'écoulant de la sortie à cette pression et le niveau du liquide se déplaçant vers le bas. En se reportant maintenant aux figures 2 et 3, à mesure que le niveau du liquide à l'intérieur de la chambre 31 de la pompe s'abaisse et passe en dessous de la surface supérieure 58 du corps 56 de la soupape à flotteur, la force de flottation du liquide qui agit vers le haut sur la soupape à flotteur commence à diminuer.C'est-à-dire que le volume de liquide déplacé par le corps 56 de la soupape à flotteur diminue à mesure que le niveau du liquide descend en dessous de la ligne de flottaison et un volume moindre du corps de la soupape à flotteur est plongé dans le liquide. On peut voir, cependant, que les forces de pression qui agissent sur la soupape à flotteur restent constantes, du fait que la pression de la vapeur et la pression du liquide sont égales, et que la pression exercée vers le haut sur le corps de soupape 56 par le liquide qui agit sur la surface inférieure 65 du corps de soupape 56 est la même par unité de surface que la pression de la vapeur qui agit sur la surface supérieure 58 du corps de soupape.Une force due à la différence de pression existe ainsi du fait que les forces dirigées vers le haut dues à la pression qui agit sur le corps de soupape sont supérieures aux forces de pression dirigées vers le bas. En se reportant à la figure 9, elle représente une soupape à flotteur schématiquement afin de montrer la force différentielle qui agit sur la soupape à flotteur dans la position où elle est appuyée sur son siège et on peut voir que par des considérations de modèle, ou de forme, on peut faire varier la force différentielle, par exemple en faisant varier la surface sur laquelle la pression moindre de la canalisation de décompression agit.Ainsi, lorsque la soupape à flotteur flotte librement, l'orifice de décompression est ouvert et la pression régnant à l'intérieur de la chambre est sensiblement égale à la pression de la canalisation de décompression, désignée par P3 ci-après. A ce point, les forces dirigées vers le haut ou vers le bas qui agissent sur la soupape à flotteur et qui sont dues aux pressions s'exerçant sur ses surfaces sont en équilibre. Lorsque la soupape à flotteur est appuyée sur son siège et que la pression régnant à l'intérieur de la chambre Pl, est supérieure à celle qui règne dans la ligne de compression, P3, une force dirigée vers le haut, appelée ci-après force différentielle, est produite par cette pression différentielle. C'est-à-dire que la pression Pl agit vers le haut sur toute la surface transversale 65 de la soupape à flotteur.Les forces de pression qui agissent vers le haut sont la pression P1 sur la zone annulaire 58 et la pression moindre P3 sur la surface de contact avec la canalisation de décompression 57. Du fait que la surface 65 est égale à la surface 58 plus la surface 57, et que Pl est supérieur à P3 alors PIS65 > P1S58 + P3S57 La force différentielle peut ainsi être prédéterminée suivant le dessin de la soupape à flotteur en déterminant les surfaces relatives. Aussi longtemps que le corps de soupape à flotteur est partiellement plongé dans le liquide des forces de flottaison agissent vers le haut sur le corps de soupape. L'importance de ces forces de flottaison est déterminée par le volume de liquide déplacé par le corps de soupape à flotteur et par les poids spécifiques relatifs du liquide et de la matière dont le corps de soupape est formé.A ce point, les forces qui agissent vers le bas sur la soupape à flotteur 55 sont constituées par une combinaison du poids de la soupape à flotteur, de la pression de la vapeur agissant sur la surface supérieure 58 de la soupape à flotteur dont la forme est annulaire et qui entoure la tige 57, et de plus de la pression à l'intérieur de la canalisation de décompression qui agit sur la surface transversale de la tige de soupape avec laquelle elle est en contact. A mesure que le niveau du liquide continue à se déplacer vers le bas, ces forces se trouvent déséquilibrées et finalement la soupape à flotteur tombe comme on le voit sur la figure 3 lorsque les forces dirigées vers le bas, comprenant le poids de la soupape à flotteur, sont supérieures aux forces de flottation et à la pression du liquide qui agit vers le haut sur le corps de la soupape à flotteur.Par suite de la pression différentielle expliquée plus haut, le flotteur tombe lorsque le niveau du liquide atteint un point du corps de soupape qui se trouve en dessous de la ligne de flottaison 73 et qui sont appelée la ligne de chute.Pumps and compressors for fluids using heat as a source of energy.
The present invention relates to pumps and compressors for fluids and more particularly to a fluid pump or compressor which uses heat as a source of energy.
In the present state of technology, there is an increasing need for a fluid pumping apparatus which has an extremely long service life and which uses thermal energy at a high efficiency. For many applications, the most obvious of which are aerospace applications, there is a particular need for motive power supplying energy systems which are capable of advantageously utilizing existing thermal energy. In such applications, more conventional equipment such as those consisting of reciprocating or typical piston pumps serving to move a fluid do not give satisfaction due to the electrical energy they require and the number of elements in operation. movement which they contain and which are subject to wear It is obvious that for such applications it is essential that the equipment and devices have an extreme operational safety. To be suitable for a large number of technological applications, such motive power supply systems should have only modest heat energy requirements, should not have moving parts liable to wear out by mechanical contact, and should be of a simple and inexpensive model.
The heat pumps and compressors known in the prior art have generally not satisfactorily met these various criteria and requirements owing in part to their complication and relatively low efficiency. For example, in a large number of thermal pumping devices known today, pumping efficiency is limited by the fact that not all of the fluid is discharged from the pumping apparatus during any given cycle. constitutes the source of energy used to move fluids from the pumping apparatus, the temperature of the residual fluids which remain inside the apparatus at the end of a cycle is reduced from a predetermined temperature and this temperature must be increased during the next cycle to this predetermined temperature. The heat required to produce such an increase in temperature is actually lost inside the system. Apparatus capable of moving fluids by means of thermal energy is also particularly advantageous in connection with machines and equipment in which heat is available which is normally an unused by-product of the system. Such machines, equipment and systems include eg refrigeration systems, equipment used with vehicles, pneumatic systems, gas lubricated devices etc. which require a long period of continuous service and in which a continuous source of heat is easily found.
Accordingly, the present invention aims to provide an apparatus for moving fluids:
Whose service life is extremely long and has a minimum number of moving parts, which uses only thermal energy as an energy source; whose dimensions and weight are reduced to a minimum; thermally operating at a higher efficiency than such devices known in the prior art; which is intended to be used as a pump to move a liquid or as a compressor to set a gas or a vapor in motion; Whose operation is simple and which can be adapted to a large number of uses such as for example the supply of liquid or gas for pneumatic power, for the production of electric current, for refrigeration systems, etc .; does not present any risk of unwanted leakage or mixture of gas and liquid between the high pressure side and the low pressure side of the device; wherein the manufacturing tolerances can be easily maintained and the design is simple and economical; thermally actuated and whose heat output demands are modest; which offers high operational safety.
In general, the present invention relates to an apparatus for pumping fluids in which the heat extracted from a heat source is used to vaporize a pumping fluid located inside a closed chamber. The heat available is sufficient to boil or vaporize the fluid inside the chamber so as to increase the internal pressure prevailing inside the chamber. When the internal pressure reaches a predetermined level, an outlet valve opens and vaporization of the liquid inside the chamber continues in a constant pressure process. The liquid or gas is then withdrawn from the chamber at this predetermined constant pressure and it is used to provide work, for example to drive a turbine or to push a piston. After a predetermined volume of liquid has been vaporized to the inside the chamber, the outlet valve closes and a decompression means is actuated in order to decrease the pressure prevailing inside the chamber and to allow a certain quantity of fresh liquid to enter the chamber. The liquid inlet valve closes after liquid has reached a predetermined level in the chamber and the pumping apparatus cycle then begins again.
It goes without saying that throughout the description of the present invention, the apparatus also applies both to the pumping of liquids or to the compression of gases and that when the apparatus is described in connection with the displacement of a fluid, these two operating modes are considered. The present invention is particularly applicable to any energy circuit in which a pressurized liquid, gas or vapor is used to perform work by means of a turbine, a pump, etc. Accordingly, the present invention will be described for representative embodiments such as those used in such power circuit systems.
Other advantages and characteristics of the present invention will emerge from the detailed description which follows, given with reference to the appended drawings which give, by way of explanation but in no way limiting, several embodiments in accordance with the invention.
In these drawings: Fig. 1 is a sectional elevational view of a representative embodiment of the present invention according to one mode of pumping a liquid at the stage of the cycle which corresponds to the inlet of the liquid; FIG. 2 is a view which corresponds to that of FIG. 1, the pump being at the start of the part of the cycle which corresponds to the outlet of the liquid; FIG. 3 is a view which corresponds to that of FIGS. 1 and 2, the pump being at the point of decompression of the cycle; Figure 4 is a schematic view of an energy circuit using the heat pump of Figures 1, 2 and 3; Figure 5 is a partially schematic view of a first variant of the heat pump of the present invention; Figure 6 is an elevational view similar to that of Figure 1 of an alternate bypass embodiment functioning as a compressor ; FIG. 7 is a view corresponding to that of FIG. 6, showing the compressor at the decompression point of its cycle; Figure 8 is a schematic view of an energy circuit according to the present invention using a thermal compressor according to the embodiment of Figures 1, 2 and 3, but operating as a compressor; Fig. 9 is a diagram showing the differential forces acting on either side of the float valve; Fig. 10 is a partially schematic sectional view of an alternate embodiment of multiple pumps intended for particular environmental conditions; Figure 11 is a sectional view taken along line 11-11 of Figure 10.
A thermally controlled pump such as that shown in Figures 1, 2 and 3, in its present embodiment is an automatic cycle pump and generally comprises a pump body 30 forming a cylindrical chamber 31 to the interior of which is disposed a float valve 55 which will be described more fully below. In the embodiment shown, an inlet port 34 for the fluid and an outlet port 35 for the fluid communicate with the chamber 31 near its lower end wall 36. In the embodiment shown, there is shown the inlet and outlet ports as diametrically opposed, although this orientation is not required. Appropriate inlet 37 and outlet 38 check valves are disposed in the inlet and outlet ports so as not to be let the fluid flow only in the correct direction. The check valves shown are of the type which has a check ball 40 disposed in a suitable cage 39 and which is intended to rest on a conical valve seat 41. Suitable connectors 42 such as threaded connections serve to connect a inlet pipe 33 and an outlet pipe 32 at the inlet and outlet ports. A heating element 45 is disposed within the chamber 31 to provide heat to the fluid therein, as described below. Any convenient heat source can be used. However, by way of illustration, there is shown an electric resistance heater element and a current source 46.
From the top of the chamber 31, a gas outlet is made through the top wall 49 of the casing and it can be maneuvered to open and close by the float valve 55. In the mode. of the embodiment shown, an outlet 50 for the gas, hereinafter indicated as the decompression orifice 50, is disposed on the longitudinal axis of the chamber and comprises a conical seat 51 which diverges from the diameter of the orifice and going to the bedroom. A suitable connector, such as a threaded connector 34, is attached to the gas outlet to connect it to a pressure relief line 61. A float valve has such a shape and is made of a material such as. it floats in the liquid which is inside the chamber 31. When the liquid is at a first predetermined level which is sufficiently high inside the chamber, the float valve is raised to a position in which it closes the gas outlet 50 and keeps it closed until the liquid level drops to a second predetermined level. Thus, in the embodiment shown, the float valve 33 comprises a cylindrical body 56 provided with a rod 57 extending upwards. The stem is oriented vertically (in the orientation shown in the figures) and is disposed at the center point of the upper surface of the body 56 of the float valve so that it substantially coincides with the longitudinal axis of the body of the float valve. In the present embodiment, the float valve is made of nylon, although other materials may be used, as will be seen in connection with the description of the operation of the device and the operation of the float valve. The length of the rod 50 depends on the level of the liquid which is to be maintained in the chamber, and the length of the stroke of the liquid-gas separation surface, as described later. The stem has a valve member such as a metal ball 60 attached to its upper end and matable with the valve seat 51.The outside diameter of the body 56 of the float valve is significantly smaller. as the internal diameter of the chamber 31 and it is determined by the volume of liquid which must be displaced to obtain the necessary flotation forces acting on the float valve. This does not work in any way to prevent liquid or gas from passing from one part of the chamber to another. The sole function of the float valve 55 is to open and close the gas outlet at a predetermined point in the operating cycle of the pump which depends on the combination of forces acting on the float valve. the forces acting on the float valve and its operation will be readily appreciated by the description of the operation of the present invention in its most rudimentary form shown in Figures 1, 2 and 3.
Thus, the embodiment of Figures 1, 2 and 3 is shown as being intended to pump a liquid from the liquid outlet pipe 32.
By way of illustration, the pump of Figures 1, 2 and 3 is shown in Figure 4 mounted in an energy circuit in which a liquid under pressure is supplied to an apparatus designed as a converter 64. The converter 64 may be any of a number of devices in which a liquid under pressure is supplied in order to perform useful work. Such a device can for example be a turbine, a piston, a generator, a bearing lubricated by a fluid or a refrigeration compressor. After removing heat and pressure from the liquid by turning them into work, the resulting low pressure gas is discharged from the converter to a condenser 65 which is on the low pressure side of the system.
By way of example, the liquid is shown as passing from the pump to a boiler 66 which is part of the converter 64. The liquid is boiled by the supply of additional heat from a heat source 67.
The gas is then led to an apparatus such as a reaction turbine wheel 68. The pressurized gas then drives the turbine wheel and is discharged at reduced pressure through the low pressure outlet pipe 69 and leads to the condenser 65 .
After passing through the condenser, the cooled gas liquefies and is stored in a tank 70 as a source of liquid supply to the liquid suction of the pump. The gas decompression line 61 is also connected to the low pressure line 69 going to the condenser 65. As a result, the high pressure side of the pump is located at the liquid outlet line 32 at a pressure indicated as P1, the high pressure side of the pump. The decompression line is at the minimum pressure of the closed system shown in Figure 4 at a pressure indicated by P3, while the liquid inlet line is also 1.
at a low pressure indicated by P2 which exceeds P3 by the value of the head of the liquid in the tank 70.
In this way, referring now to Figures 1 and 4, the pump is shown at a point in its operating cycle where liquid flows into the pump from the reservoir 70 and through the inlet check valve. 37 which is open. The pressure inside the pump chamber 31 is the pressure of the pressure relief line 61 because the pressure relief port 50 is open. The float valve 55 is in an intermediate position along its path because as seen in Figure 1, the liquid from the inlet has partially filled the chamber. The float valve floats freely within the liquid and sinks into the liquid to a depth which is determined by the flotation forces acting on the float body 56. Thus, the float valve body is immersed in liquid to the depth shown in the figure at waterline 73. As the level of the liquid continues to rise, the float valve is driven upward until the valve member 61 is positioned on the valve stem contacts and rests against the valve seat of the pressure relief line. Due to the fact that the float which moves upwards has a certain live force at the time of the closing of the decompression line there is a certain immediate pressure difference between the chamber and the decompression line, and in this way a closing and abrupt sticking of the valve A certain force is produced by this pressure difference on either side of the float valve due to the fact that the upper transverse surface of the latter against which the pressure prevailing in the chamber acts is less than its lower cross-sectional area by the amount of area that is exposed to the pressure relief line, as explained fully below. After the float valve rests on its seat, the liquid level stops rising inside the chamber when the pressure of the fluid inside the chamber slightly exceeds that of the fluid in the pipeline. inlet check valve and closes the inlet check valve 37. Because the heater element is energized while the pump is running, the fluid begins to boil during the last part of the fill portion of the cycle. . After the float valve closes, the liquid continues to boil and produces pressurized vapor in the chamber, above the liquid level. This pressure difference between the pressure in the chamber and the pressure in the decompression line produces an upwardly directed differential force serving to maintain the float valve in its resting position on its seat. For the purpose of description, the part of the chamber which is filled with liquid is indicated by 31a, while the part which is filled with vapor is indicated by 316.The surface of the liquid constitutes a separation surface which moves upward and down inside the chamber in a manner comparable to the piston face of a mechanical piston pump. As boiling continues, the pressure of the gas in part 31b increases, as does the pressure of the liquid in part 31o.
Referring now to Figure 2, the liquid level is shown to be near its highest point immediately after opening the outlet check valve 38.
That is, after the inlet check valve and float valve have closed, the boiling of the liquid continues and the pressure of the vapor and the liquid continues to increase in pressure equilibrium until that the liquid pressure reaches the pressure prevailing in the liquid outlet pipe. At this point, the outlet check valve opens. When the outlet check valve 38 opens, a new pressure balance is established. Because the volume of gas produced by the boiling of the liquid is considerably larger than the volume of liquid which boils to form this vapor, the vapor pressure and the liquid pressure remain at a constant value which is the pressure of discharge of the pump, i.e. the pressure of the liquid in the outlet pipe. Subsequently, the liquid flows from the pump through the outlet pipe at a substantially constant pressure and the pressure equilibrium inside the chamber 31 of the pump remains roughly constant at this pressure as more liquid is used up and the liquid level moves down. That is to say that there are two sources of depletion of the liquid inside the pump, the first being that which goes from the pump to the outlet pipe and the second being constituted by the liquid transformed into gas. by boiling.
As long as the volumetric rate of gas produced is equal to the volume of liquid leaving the pump through the outlet pipe, the pressure inside the chamber of the pump remains constant, the liquid flowing from the outlet. at this pressure and the liquid level moving downward. Referring now to Figures 2 and 3, as the level of the liquid within the chamber 31 of the pump lowers and passes below the upper surface 58 of the body 56 of the float valve, the liquid flotation force which acts upwardly on the float valve begins to decrease i.e. the volume of liquid displaced by the body 56 of the float valve decreases as the liquid level drops below the waterline and a smaller volume of the float valve body is submerged in the liquid. It can be seen, however, that the pressure forces acting on the float valve remain constant, because the vapor pressure and liquid pressure are equal, and the upward pressure exerted on the valve body. 56 by the liquid acting on the lower surface 65 of the valve body 56 is the same per unit area as the pressure of the vapor acting on the upper surface 58 of the valve body. A force due to the pressure difference exists so because the upward forces due to the pressure acting on the valve body are greater than the downward pressure forces. Referring to figure 9, it shows a float valve schematically in order to show the differential force which acts on the float valve in the position where it is resting on its seat and it can be seen that by design considerations, or The differential force can be varied, for example by varying the area on which the lower pressure of the decompression line acts, so when the float valve floats freely, the decompression port is opened and the pressure prevailing inside the chamber is substantially equal to the pressure of the decompression pipe, designated by P3 below. At this point, the upward or downward forces acting on the float valve and due to the pressures on its surfaces are in equilibrium. When the float valve is pressed on its seat and the pressure prevailing inside the chamber P1 is greater than that which prevails in the compression line, P3, a force directed upward, hereinafter called force differential, is produced by this differential pressure. That is, the pressure Pl acts upwards over the entire transverse surface 65 of the float valve. The pressure forces which act upwards are the pressure P1 on the annular zone 58 and the lower pressure P3 on the contact surface with the decompression pipe 57. Since the surface 65 is equal to the surface 58 plus the surface 57, and that Pl is greater than P3 then PIS65> P1S58 + P3S57 The differential force can thus be predetermined according to the drawing of the float valve by determining the relative surfaces. As long as the float valve body is partially submerged in the liquid, flotation forces act upward on the valve body. The magnitude of these flotation forces is determined by the volume of liquid displaced by the float valve body and by the relative specific weights of the liquid and the material from which the valve body is formed. At this point, the forces which act downwards on the float valve 55 are formed by a combination of the weight of the float valve, the pressure of the steam acting on the upper surface 58 of the float valve which is annular in shape and which surrounds the stem 57, and furthermore from the pressure inside the decompression line which acts on the transverse surface of the valve stem with which it is in contact. As the liquid level continues to move downward, these forces become unbalanced and eventually the float valve falls as seen in Figure 3 when the downward forces, including the weight of the valve at float, are greater than the flotation forces and the liquid pressure acting upward on the float valve body.As a result of the differential pressure explained above, the float drops when the liquid level reaches a point of valve body which sits below the waterline 73 and is called the drop line.
74 On peut déterminer la position de la ligne de chute comme indiqué plus haut en faisant varier les paramètres constitués par les forces de flottation, le poids de la soupape à flotteur et la force différentielle. Lorsque la soupape à flotteur tombe, l'orifice de décompression 50 s'ouvre et la pression à l'intérieur de la chambre tombe rapidement à la valeur de la pression P3 de la canalisation de décompression. Du fait que la pression Pl dans la canalisation de sortie du liquide est supérieure à la pression de la canalisation de décompression, le clapet de retenue de sortie 38 se ferme.De même, lorsque la pression P2 dans la canalisation d'admission du liquide dépasse celle de la canalisation de décompression, le clapet de retenue d'admission 37 s'ouvre et du fluide provenant de la canalisation d'admission s'écoule dans la chambre 31 de la pompe et le niveau liquide du fluide à l'intérieur de la chambre commence à nouveau à s'élever pour faire commencer un nouveau cycle de fonctionnement. Comme on le voit d'après ce qui précède, la limite inférieure du trajet de la surface de séparation liquide-gaz est déterminée par des considérations de conception de la soupape à flotteur et elle est déterminée par la configuration, le poids et le déplacement de la soupape à flotteur.
Il faut noter à ce point que bien que le poids de la soupape à flotteur soit indiqué ici comme n'étant qu'une force de pesanteur, et que le dispositif est disposé verticalement, d'autres moyens produisant une force, telle qu'une accélération, une force centrifuge ou une force magnétique peuvent être utilisés pour obtenir les équilibres de force et de pression nécessaires suivant la présente invention lorsque des conditions d'environnement ou d'autres facteurs l'exigent, comme plus complètement expliqué plus loin.
Lorsque le niveau du liquide est tombé à son point le plus bas et que la chambre de la pompe est décomprimée, il doit se produire une diminution simultanée de température du liquide qui reste dans la chambre de la pompe. Ceci est dû à l'ébullition du liquide produite par sa diminution de pression. La chaleur perdue de cette quantité résiduelle de liquide doit être remplacée pendant le cycle suivant et elle est perdue du fait que cette entrée de chaleur supplémentaire ne produit aucun travail utile. Cette perte de chaleur résiduelle est réduite dans la présente invention par suite du faible volume de liquide qui doit être réchauffé. Cette perte de chaleur résiduelle ou ébullition parasite constitue la source principale du manque d'efficacité des pompes thermiques de la technique antérieure.Bien que la perte de chaleur résiduelle soit faible dans la pompe décrite ci-dessus, on peut encore la réduire par des considérations de conception selon lesquelles on augmente la distance séparant le point haut et le point bas entre lesquels le niveau du fluide se déplace à l'intérieur de la chambre 31 de la pompe. La perte de chaleur résiduelle peut encore être réduite en donnant à la chambre de la pompe une forme telle qu'elle constitue une chambre dans laquelle le fluide dont on dispose pour le pomper se trouve en quantité beaucoup plus élevée que celle qui est nécessaire pour faire fonctionner la soupape à flotteur suivant son cycle. Une telle pompe représentative dans laquelle ce résultat est obtenu est représentée partiellement et d'une façon schématique sur la figure 5.C'est ainsi que dans le mode de réalisation représenté sur la figure 5, une enveloppe 75 forme une chambre 76 pour le fluide comportant une sortie de fluide 32 depuis la surface inférieure 79 et une admission de fluide 33. Un creux est formé sur un de ses côtés qui est éloigné de l'orifice de sortie de façon à former un puits 82 pour le liquide à l'intérieur duquel le corps 56 de la soupape à flotteur est logé. Un élément de chauffage 77 est disposé au voisinage de la surface inférieure 82a du puits 82. La soupape à flotteur est construite de telle sorte que la ligne de chute 74 à laquelle le flotteur tombe pour ouvrir l'orifice de décompression 50, comme décrit précédemment, se trouve à l'intérieur du puits, mais de préférence en un point qui coïncide avec la surface inférieure 79 de la chambre.La soupape à flotteur et le fonctionnement du mode de réalisation représenté sur la figure 5 sont à tout autre point de vue semblables à ceux décrits précédemment, bien qu'on puisse utiliser un moyen de guidage approprié 83 pour guider la soupape à flotteur pour l'amener à s'appuyer sur l'orifice de décompression 50 ou pour l'en séparer. Ainsi, dans ce mode de réalisation, le liquide se trouve pompé jusqu'à ce que la chambre soit réellement pompée à sec, sauf le liquide qui reste dans le puits comme liquide de man u̇vre. La quantité de liquide résiduel constitue ainsi un très faible pourcentage de la quantité globale de fluide qui est pompée du dispositif.
On peut voir également que lorsque de grands débits sont nécessaires, on peut faire fonctionner la soupape à flotteur comme décrit plus haut et l'utiliser pour servir de soupape pilote pour faire fonctionner de plus grosses soupapes montées sur les canalisations. Par exemple, dans une pompe à grand volume, selon la présente invention, la canalisation de décompression nécessaire pour faire diminuer rapidement la pression dans la chambre serait suffisamment grande pour qu'une soupape à flotteur d'importance correspondante soit nécessaire pour empêcher une grande différence de force de pression d'agir de part et d'autre de la soupape à flotteur.Dans ce cas, on n'augmente pas les dimensions de la canalisation de décompression sur laquelle agit la soupape à flotteur mais elle sert uniquement de canalisation pilote pour ouvrir la soupape de la canalisation de décompression principale par des moyens bien connus dans la technique.
On peut adapter l'appareil de la présente invention pour le faire fonctionner comme un compresseur en reliant la canalisation de sortie du fluide à la surface supérieure de la chambre ou à un point proche de cette surface supérieure de sorte qu'elle reste en communication avec la partie 31b contenant du gaz de la chambre. Le fonctionnement de l'appareil est à tout point de vue semblable au fonctionnement de la pompe qui a été décrit précédemment, sauf que du gaz sous pression est refoulé de la chambre à la place du liquide. Pour mieux illustrer le fonctionnement de l'appareil comme compresseur, on va décrire une variante de mode de réalisation qui fonctionne comme compresseur, étant bien entendu que le mode de réalisation qui va être décrit peut également fonctionner pour pomper du liquide.
Ainsi, en se reportant maintenant à la figure 6, elle représente une variante de mode de réalisation de la pompe thermique de la présente invention dans lequel on utilise une dérivation. La chambre de fluide, la soupape à flotteur, la canalisation d'admission du liquide et la canalisation de décompression sont identiques dans ce mode de réalisation à ceux du mode de réalisation représentés sur les figures de 1 à 4 et portent des références identiques.
L'orifice de sortie du fluide est cependant représenté comme un orifice de sortie de gaz 90 auquel est reliée une canalisation de sortie de gaz 91 du fait que ce mode de réalisation est représenté comme fonctionnant comme compresseur. L'orifice de sortie de gaz 90 est par suite disposé à travers la paroi supérieure de l'enveloppe qui forme la chambre 31 de sorte qu'il est en communication avec la partie 31b contenant du gaz de la chambre de fluide. Un clapet de retenue de sortie 93 est disposé dans l'orifice 90 et la canalisation de sortie de gaz 91 constitue le côté haute pression ou côté refoulement du compresseur à une pression Pl.Un orifice de dérivation 95 est en communication avec la chambre 31 de la pompe en un point espacé vers le bas d'une distance importante de la paroi supérieure de la chambre de sorte que du liquide ou du gaz traverse l'orifice de dérivation suivant la hauteur du niveau du liquide à l'intérieur de la chambre 31. La position de l'orifice de dérivation est prédéterminée afin de déterminer le point d'ouverture de la canalisation de décompression comme on le verra plus loin.Un moyen de limitation d'écoulement 97, tel qu'un orifice de diamètre inférieur au diamètre de l'orifice de dérivation, ou bien une soupape papillon, est disposé dans la canalisation de dérivation pour produire une différence de pression lorsqu'il y a écoulement entre la chambre 31 et la canalisation de dérivation 98 Sur la figure 6, le mode de réalisation à dérivation du compresseur thermique selon la présente invention est représenté dans l'état où le niveau liquide à l'intérieur de la chambre 31 s'est élevé jusqu'à un point où la soupape à flotteur 55 a été élevée et a mis en contact d'étanchéité l'élément de la tige de soupape et le siège de soupape formé sur l'orifice de décompression. A ce point, le clapet de retenue d'admission 37 et le clapet de retenue de sortie 93 sont tous les deux fermés.En alimentant l'élément de chauffage, on élève la température du liquide se trouvant dans la chambre 31 au point où l'ébullition commence et la pression du gaz se trouvant dans la partie 31b contenant du gaz de la chambre, ainsi que celle du fluide se trouvant dans la partie 31a contenant du liquide de la chambre, s'élèvent. L'élévation de pression fait d'abord appuyer fermement contre son siège la soupape à flotteur de façon à ce qu'il ne puisse se produire aucune fuite dans la canalisation de décompression. Secondement, une petite quantité de liquide est dérivée du compresseur en s'écoulant à travers l'étranglement de dérivation et de là au côté basse pression du compresseur.Du fait que la quantité de liquide dérivée est faible par suite de l'étranglement formé sur la canalisation, l'élément de chauffage continue à élever la pression jusqu'à ce que la pression régnant à l'intérieur de la chambre 31 du compresseur soit égale à la pression sur le côté refoulement ou côté haute pression du compresseur, c'est-à-dire à la canalisation de sortie de gaz 91, et à ce moment le clapet de retenue de sortie 93 s'ouvre et permet de pomper du gaz à travers la canalisation de sortie de gaz. Le gaz s'écoule à travers la canalisation de sortie à une pression sensiblement constante et à un débit pour lequel le volume du liquide qui s'écoule pendant un intervalle de temps donné est égal au volume de gaz vaporisé formé pendant'cet intervalle de temps.Ce processus se poursuit jusqu'à ce que le niveau du liquide s'abaisse par épuisement du liquide jusqu'au point où le niveau du liquide se trouve au niveau de l'orifice de dérivation. Lorsque le niveau du liquide à l'intérieur de la chambre 31 passe en dessous du niveau de l'orifice de dérivation, il se produit une chute de pression brusque dans la chambre du fait que l'orifice de dérivation est alors en communication avec le gaz se trouvant dans la partie 31b contenant du gaz de la chambre. Ainsi, du gaz au lieu du liquide est alors refoulé par la haute pression à travers l'orifice de dérivation et en concevant de façon appropriée les dimensions de l'orifice, la chute de pression de part et d'autre de l'étranglement fait diminuer considérablement la pression régnant à l'intérieur de la chambre 31.
Lorsque cette pression diminue brusquement, la soupape à flotteur tombe et la canalisation de décompression est ouverte. Ainsi, comme décrit précédemment, juste avant la chute de pression due à l'échappement du gaz à travers la canalisation de dérivation, les forces de pression qui agissent sur la soupape à flotteur pour la maintenir en position de fermeture sont constituées par une combinaison de la force de flottaison du liquide qui agit sur le corps de la soupape à flotteur et de la pression du fluide sur toute la surface inférieure transversale du corps de la soupape, force dirigée vers le haut et qui reçoit l'opposition du poids de la soupape à flotteur, et la pression de la chambre qui agit sur une surface transversale moindre du corps de soupape.Cette pression maintient également le clapet de retenue de sortie ouvert et le clapet de retenue d'admission fermé. Lorsque la pression a diminué rapidement par suite de l'écoulement de gaz à travers la canalisation de dérivation, la pression différentielle qui agit sur les surfaces supérieure et inférieure du corps de soupape cesse d'agir aussitôt que la pression à l'intérieur de la chambre atteint la valeur de celle qui règne dans la canalisation de décompression.
Ainsi, le poids de la soupape à flotteur qui est maintenue en place par les forces de pression la fait tomber en ouvrant la canalisation de décompression et en achevant de décomprimer la chambre de la pompe jusqu'au point de basse pression du système. A ce point, la hauteur de charge du liquide qui alimente la canalisation d'admission allant dans la chambre de la pompe suffit à faire remplir par le liquide cette chambre. A mesure que le liquide remplit la chambre, la soupape à flotteur est à nouveau supportée en flottant et elle est élevée jusqu'à la position où la canalisation de décompression est à nouveau fermée et où le cycle de pompage recommence à nouveau lorsque la pression régnant à l'intérieur de la chambre atteint la pression de la canalisation de sortie.Dans ce mode de réalisation, lorsque le niveau du liquide se trouve en dessous de la ligne de flottaison de la soupape à flotteur, au niveau de dérivation, la soupape à flotteur tombe et la chambre 31 est décomprimée. Comme on le voit sur la figure 7, on peut faire en sorte que le niveau de dérivation se présente en un point qui se trouve bien en dessous de la soupape à flotteur. C'est-à-dire que dans ce mode de réalisation, la matière servant à former la soupape à flotteur et sa configuration sont prédéterminées de telle sorte que la force de pression différentielle qui agit sur la soupape à flotteur suffit à compenser son poids et la soupape à flotteur est maintenue en position fermée bien qu'aucune force de flottation ne s'exerce sur elle.Ainsi, dans la description précédente, la ligne de chute ne se trouve pas à l'intérieur du corps de la soupape à flotteur et la soupape à flotteur ne tombe pas pour ouvrir la canalisation de décompression avant que la chute de pression dans la chambre qui est due au passage de gaz à travers la canalisation de dérivation soit suffisante pour réduire la force différentielle dirigée vers le haut qui agit sur le corps de soupape jusqu'au point où elle est inférieure au poids de celle-ci, Sur la figure 8, on a représenté schématiquement un nouveau circuit ou boucle d'énergie suivant la présente invention, servant à illustrer la façon de l'utiliser.Dans la boucle d'énergie se trouve une pompe thermique telle que cène représentée sur les figures de 1 à 3 qui fonctionne comme compresseur et comporte une canalisation de sortie de gaz 91 de la partie 31b contenant du gaz de la chambre 31, un clapet de retenue de sortie de gaz 93 étant monté sur la canalisation de sortie 91. La canalisation de sortie de gaz 91 est reliée à un accumulateur à haute pression 99 qui à son tour est relié par une canalisation de gaz à haute pression 101 à une turbine 100 ou convertisseur semblable produisant du travail. Une canalisation d'échappement 102 pour du gaz ou pour du fluide partant de la turbine est reliée à l'entrée d'un condenseur 103, comme l'est une canalisation de décompression 61 provenant du compresseur thermique.La canalisation de sortie provenant du condenseur est reliée par l'intermédiaire d'une canalisation d'admission de liquide 33 et d'un clapet de retenue d'admission 37 à la chambre de fluide 31. Ainsi, comme décrit précédemment, du gaz ou de la vapeur sont produits dans le compresseur thermique par l'apport de chaleur provenant du dispositif de chauffage 45 de façon à faire ainsi croître la pression régnant dans la chambre lorsque l'orifice de décompression est fermé par la soupape à flotteur. Lorsque la pression dépasse légèrement la pression P1 de l'accumulateur sur le côté haute pression du système, le clapet de retenue 93 s'ouvre. Du gaz ou de la vapeur à haute pression s'écoule de la chambre 31 dans l'accumulateur.Le gaz à haute pression sert ensuite à entraîner une turbine dans laquelle la pression du gaz et la chaleur qu'il contient sont transformées en travail mécanique. Le gaz quitte la turbine à une pression P3 et une température qui sont plus basses par une ligne d'évacuation 102 et le gaz se liquéfie dans le condenseur. Lorsque le niveau du liquide dans la chambre 31 tombe suffisamment' le poids de la soupape à flotteur surpasse la force de flottation de la force due à la différence de pression de part et d'autre de l'orifice de décompression et celui-ci s'ouvre. La pression régnant dans la chambre 31 tombe à la pression régnant dans la canalisation de décompression P3 et une nouvelle charge de liquide à la pression P2 de la canalisation d'admission pénètre dans la chambre pour faire élever le niveau du liquide et faire commencer un nouveau cycle.
On a trouvé que l'appareil de la présente invention convient particulièrement bien au système de réfrigération par suite des cycles thermodynamiques qu'il met en u̇vre et du fait que le fluide de pompage sert pour la réfrigération ou bien qu'il est compatible avec un second fluide de réfrigération.
Comme mentionné précédemment, les modes de réalisation représentés à titre d'illustration ont une forme rudimentaire et sont conçus pour fonctionner par gravité. D'après ce qui précède, cependant, on peut voir qu'on peut adapter facilement la présente invention à des conditions d'environnement dans lesquelles on n'utilise pas la force de la pesanteur pour produire la force qui s'exerce sur la soupape à flotteur pour l'écarter de l'orifice de décompression. De tels environnements comprendraient d'une façon évidente des conditions de pesanteur, de vibrations et d'accélérations nulles dans des applications aéro-spatiales. Dans de telles circonstances, on peut remplacer la force de la pesanteur par une force centrifuge. On peut voir de plus que des dispositifs selon la présente invention peuvent être groupés ou jumelés pour augmenter le débit en volume.
Pour illustrer brièvement en tenant compte des descriptions précédentes, l'application de la présente invention à des conditions d'environnement particulières telles que l'apesanteur et des appareils jumelés, une variante représentative de mode de réalisation est représentée sur les figures 10 et 11.
Dans ce mode de réalisation, quatre chambres de fluide 31 et quatre soupapes à flotteur 55 sont utilisées et sont orientées symétriquement autour de l'axe de rotation de l'appareil, qui est désigné par la référence 100-100 sur les figures. Dans ce mode de réalisation on a également représenté l'utilisation de soupapes à double siège afin de montrer l'utilisation d'une telle soupape pour ouvrir et fermei simultanément la canalisation de décompression et l'orifice d'admission du liquide.
Ainsi, dans le mode de réalisation représenté sur les figures 10 et 11, le corps de pompe cylindrique 102 est monté de façon à tourner à l'intérieur d'une enveloppe d'appareil 103 autour de l'axe longitudinal 100-100. L'enveloppe 103 de l'appareil comporte un orifice de sortie de gaz 104 et un orifice d'admission de liquide 105 formé par des bouts d'arbre 106 et 107 respectivement qui sont concentriques par rapport à l'axe de rotation. L'enveloppe 102 de la pompe est montée de façon à pouvoir tourner autour des bouts d'arbre au moyen de paliers 110 qui supportent et font tourner l'enveloppe 102 de la pompe.Ce résultat est obtenu en appliquant du gaz sous pression aux conduits 111 d'où le gaz est évacué suivant un angle tel qu'il supporte l'enveloppe 102 de la pompe à partir des parois voisines de l'enveloppe 103 de l'appareil et en même temps fait tourner l'enveloppe de pompe 102 par la réaction du gaz qui s'en échappe.
L'enveloppe de la pompe forme une chambre cylindrique qui est divisée en quatre chambres 31a, b, c et d par des parois transversales 112, 113, 114, et 115. Les parois 112, 115 se terminent sur une paroi intérieure de conduite 117 de telle sorte que les chambres 31a, 31b forment des segments annulaires. A l'intérieur de chaque segment une soupape à flotteur 55 est disposée et peut se déplacer suivant un rayon par rapport à l'axe. Le corps de chaque soupape à flotteur présente une section droite générale triangulaire de façon à s'adapter à la configuration générale du segment annulaire à l'intérieur duquel il est disposé. Du fait que toutes les chambres en forme de segments, les soupapes à flotteur et les arrangements de soupape sont semblables, on ne décrira en détail qu'un seul d'entre eux.Comme on le voit sur les figures 10 et 11, la soupape à flotteur 55 comprend une tige 120 s'étendant vers l'intérieur radialement et une tige 121 s'étendant vers l'extérieur se trouvant approximativement au point milieu de la longueur de la soupape à flotteur. Un élément de soupape de décompression 125 porté par la tige de soupape 120 peut s'associer à un orifice de décompression 126 formé sur la paroi 117 de la conduite intérieure tandis que la tige de soupape extérieure 121 porte un élément de soupape pouvant s'associer à un siège de soupape d'admission 128 formé dans la paroi d'admission 130. La paroi d'admission 130 est cylindrique et entoure une partie des chambres en forme de segments dont elle forme une paroi.La paroi d'admission 130 est espacée de la paroi d'extrémité 132a et de la surface intérieure 132b de l'enveloppe de pompe 102 de façon à former ainsi un circuit d'admission 133 du liquide qui est en communication par l'intermédiaire d'orifices d'admission 135 avec le bout d'arbre 107 qui forme une admission annulaire de liquide dans l'appareil. Le circuit d'admission du liquide est fermé par une paroi d'extrémité annulaire 134.
Une canalisation de décompression 137 est disposée d'une façon symétrique à travers le bout d'arbre 107, une joue 138 servant à séparer le circuit d'admission du liquide d'un circuit de gaz de décompression qui comprend une chambre de décompression 140 et l'ouverture intérieure 141 formée à travers la canalisation de décompression 137. Le circuit de décompression du gaz est ainsi en communication avec les orifices de décompression 126 formés à travers la paroi 117 de la conduite. La chambre de décompression 140 est séparée par une paroi transversale 143 d'un circuit de sortie 144 du gaz formé par la paroi intérieure 117 de la conduite. Le circuit de sortie du gaz est en communication avec chaque chambre de pompe 31 dans sa partie de gaz 31b par l'intermédiaire d'orifices de sortie de gaz 146 formés à travers la paroi 117 de la conduite.Des clapets de retenue de sortie 150 sont disposés dans la conduite intérieure de façon à ouvrir et fermer les orifices de sortie 146.
L'orifice de décompression 141 et l'orifice d'admission de liquide 128 sont espacés de telle sorte que lorsque l'un est fermé par l'élément de soupape approprié de la soupape à flotteur, l'autre est également fermé. L'utilisation d'une soupape à double siège agissant à la fois comme soupape d'admission de liquide et de soupape de décompression permet à la soupape à flotteur d'être équilibrée en pression de sorte qu'un flotteur de faible poids peut agir sur des soupapes de grande surface.
Une source de chaleur telle qu'une couche cylindrique d'isotopes nucléaires 151 ou une autre source de chaleur appropriée entoure les chambres de pompe, laquelle source de chaleur est à son tour entourée par un isolement approprié 152. Des canalisations de transport de fluide de type connu dans la technique sont reliées aux canalisations d'admission de liquide et de sortie de gaz appropriées de l'appareil.
Le fonctionnement du mode de réalisation des figures 10 et 11 est comparable au fonctionnement des modes de réalisation décrits plus haut sauf le fait qu'une force centrifuge remplace la force de la pesanteur. Ainsi, brièvement, le mode de réalisation des figures 10 et 11 fonctionne en apesanteur et suivant toutes les positions en faisant tourner les chambres de pompes autour de l'axe 100-100 à une vitesse de rotation appropriée. La chaleur fournie au liquide se trouvant dans les chambres 31 fait vaporiser celui-ci et le gaz ainsi formé flotte vers l'axe 100-100 de l'appareil.Lorsque la pression régnant à l'intérieur de chacune des chambres 31 est égale à la pression Pl de la canalisation de sortie, le clapet de retenue de sortie 150 s'ouvre et le gaz est refoulé dans la canalisation de sortie 104 afin d'alimenter le système à l'intérieur duquel le dispositif fonctionne comme compresseur.
Lorsque la plus grande partie du liquide a été vaporisée de telle sorte que les forces de flottation et de pression différentielle qui agissent vers l'intérieur sont insuffisantes pour contrebalancer la force centrifuge qui s'exerce vers l'extérieur sur les soupapes à flotteur, celles-ci se déplacent vers l'extérieur par suite du déséquilibre de forces, comme décrit précédemment. A ce point, l'orifice de décompres-74 The position of the fall line can be determined as indicated above by varying the parameters consisting of the flotation forces, the weight of the float valve and the differential force. When the float valve drops, the decompression port 50 opens and the pressure inside the chamber quickly drops to the value of the pressure P3 of the decompression line. Because the pressure Pl in the liquid outlet pipe is greater than the pressure in the decompression pipe, the outlet check valve 38 closes. Similarly, when the pressure P2 in the liquid inlet pipe exceeds that of the decompression line, the inlet check valve 37 opens and fluid from the inlet line flows into the chamber 31 of the pump and the liquid level of the fluid within the chamber again begins to rise to initiate a new operating cycle. As can be seen from the above, the lower limit of the path of the liquid-gas separation surface is determined by design considerations of the float valve and is determined by the configuration, weight and displacement of the float valve.
It should be noted at this point that although the weight of the float valve is indicated here as only a force of gravity, and the device is arranged vertically, other means producing a force, such as a acceleration, centrifugal force or magnetic force can be used to achieve the necessary force and pressure balances in accordance with the present invention when environmental conditions or other factors so require, as more fully explained later.
When the liquid level has fallen to its lowest point and the pump chamber is decompressed, there should be a simultaneous decrease in temperature of the liquid remaining in the pump chamber. This is due to the boiling of the liquid produced by its decrease in pressure. The waste heat from this residual amount of liquid must be replaced during the next cycle and is wasted because this additional heat input does not produce any useful work. This waste heat loss is reduced in the present invention due to the small volume of liquid that must be heated. This waste heat loss or parasitic boiling is the main source of the inefficiency of prior art heat pumps. Although the waste heat loss is small in the pump described above, it can be further reduced by considerations. of design according to which the distance between the high point and the low point between which the level of the fluid moves inside the chamber 31 of the pump is increased. Residual heat loss can be further reduced by giving the pump chamber such a shape as to constitute a chamber in which the fluid available to pump it is in a much larger quantity than is required to make operate the float valve according to its cycle. Such a representative pump in which this result is obtained is shown partially and schematically in Figure 5. Thus, in the embodiment shown in Figure 5, a casing 75 forms a chamber 76 for the fluid. having a fluid outlet 32 from the lower surface 79 and a fluid inlet 33. A depression is formed on one side thereof which is remote from the outlet port so as to form a well 82 for the liquid therein of which the body 56 of the float valve is housed. A heater 77 is disposed in the vicinity of the lower surface 82a of the well 82. The float valve is constructed such that the drop line 74 to which the float falls to open the pressure relief port 50, as previously described. , is inside the well, but preferably at a point which coincides with the lower surface 79 of the chamber. The float valve and the operation of the embodiment shown in Fig. 5 are in all other respects similar to those described above, although suitable guide means 83 could be used to guide the float valve to rest on or separate from the relief port 50. Thus, in this embodiment, the liquid is pumped until the chamber is actually pumped dry, except the liquid which remains in the well as working liquid. The quantity of residual liquid thus constitutes a very small percentage of the overall quantity of fluid which is pumped from the device.
It can also be seen that when large flow rates are required, the float valve can be operated as described above and used to serve as a pilot valve to operate larger valves mounted in the pipelines. For example, in a large volume pump, according to the present invention, the pressure relief line required to rapidly decrease the pressure in the chamber would be large enough that a float valve of corresponding size would be required to prevent a large difference. pressure force to act on either side of the float valve In this case, the dimensions of the decompression pipe on which the float valve acts are not increased, but it serves only as a pilot pipe for open the main pressure relief line valve by means well known in the art.
The apparatus of the present invention can be adapted to operate as a compressor by connecting the fluid outlet line to the upper surface of the chamber or to a point near this upper surface so that it remains in communication with it. part 31b containing gas from the chamber. The operation of the apparatus is in all respects similar to the operation of the pump which has been described previously, except that pressurized gas is discharged from the chamber in place of the liquid. In order to better illustrate the operation of the apparatus as a compressor, an alternative embodiment will be described which functions as a compressor, it being understood that the embodiment which will be described can also function to pump liquid.
Thus, referring now to FIG. 6, it shows an alternative embodiment of the heat pump of the present invention in which a bypass is used. The fluid chamber, the float valve, the liquid inlet line and the pressure relief line are identical in this embodiment to those of the embodiment shown in Figures 1 to 4 and bear identical references.
The fluid outlet is, however, shown as a gas outlet 90 to which is connected a gas outlet line 91 because this embodiment is shown as functioning as a compressor. The gas outlet 90 is therefore disposed through the top wall of the casing which forms the chamber 31 so that it is in communication with the gas containing portion 31b of the fluid chamber. An outlet check valve 93 is disposed in the port 90 and the gas outlet line 91 constitutes the high pressure side or the discharge side of the compressor at a pressure P1. A bypass port 95 is in communication with the chamber 31 of the pump at a point spaced down a substantial distance from the top wall of the chamber so that liquid or gas passes through the bypass orifice according to the height of the liquid level inside the chamber 31 . The position of the bypass orifice is predetermined in order to determine the opening point of the pressure relief line as will be seen later. A flow restricting means 97, such as an orifice of diameter smaller than the diameter of the bypass port, or a butterfly valve, is disposed in the bypass line to produce a pressure difference when there is flow between chamber 31 and bypass line 98 In Fig. 6, The bypass embodiment of the thermal compressor according to the present invention is shown in the state where the liquid level inside the chamber 31 has risen to a point where the float valve 55 has been raised and sealingly contacted the valve stem member and the valve seat formed on the pressure relief port. At this point both the inlet check valve 37 and the outlet check valve 93 are closed. By energizing the heating element, the temperature of the liquid in chamber 31 is raised to the point where l The boiling begins and the pressure of the gas in the gas-containing part 31b of the chamber, as well as that of the fluid in the liquid-containing part 31a of the chamber, increases. The pressure build-up first causes the float valve to press firmly against its seat so that no leaks can occur in the pressure relief line. Secondly, a small amount of liquid is bypassed from the compressor by flowing through the bypass constriction and thence to the low pressure side of the compressor. Because the amount of bypassed liquid is small due to the constriction formed on pipe, the heating element continues to raise the pressure until the pressure inside the chamber 31 of the compressor is equal to the pressure on the discharge side or high pressure side of the compressor, this is that is, to the gas outlet line 91, and at this point the outlet check valve 93 opens and allows gas to be pumped through the gas outlet line. The gas flows through the outlet line at a substantially constant pressure and at a rate at which the volume of liquid flowing during a given time interval equals the volume of vaporized gas formed during that time interval. This process continues until the liquid level drops by depleting the liquid to the point where the liquid level is at the bypass orifice. When the level of the liquid inside the chamber 31 falls below the level of the bypass port, there is a sudden pressure drop in the chamber because the bypass port is then in communication with the bypass port. gas in part 31b containing gas from the chamber. Thus, gas instead of liquid is then forced by the high pressure through the bypass orifice and by appropriately designing the dimensions of the orifice, the pressure drop on either side of the constriction makes considerably reduce the pressure inside the chamber 31.
When this pressure drops sharply, the float valve drops and the decompression line is opened. Thus, as previously described, just before the pressure drop due to the escape of gas through the bypass line, the pressure forces which act on the float valve to keep it in the closed position are formed by a combination of the flotation force of the liquid acting on the body of the float valve and the pressure of the fluid over the entire lower transverse surface of the valve body, a force directed upwards and which is opposed by the weight of the valve float pressure, and the chamber pressure acting on a smaller cross-sectional area of the valve body; this pressure also keeps the outlet check valve open and the inlet check valve closed. When the pressure has decreased rapidly as a result of gas flowing through the bypass line, the differential pressure acting on the upper and lower surfaces of the valve body ceases to act as soon as the pressure inside the valve body ceases to act. chamber reaches the value of that prevailing in the decompression pipe.
Thus, the weight of the float valve which is held in place by the pressure forces causes it to fall by opening the pressure relief line and completing the decompression of the pump chamber to the point of low pressure in the system. At this point, the head of the liquid which feeds the inlet pipe going into the chamber of the pump is sufficient to make this chamber fill with the liquid. As the liquid fills the chamber, the float valve is again supported floating and is raised to the position where the pressure relief line is closed again and the pumping cycle begins again when the pressure prevails. inside the chamber reaches the pressure of the outlet line.In this embodiment, when the liquid level is below the waterline of the float valve, at the bypass level, the valve to float falls and chamber 31 is decompressed. As can be seen in Fig. 7, the bypass level can be arranged at a point which is well below the float valve. That is, in this embodiment, the material for forming the float valve and its configuration are predetermined such that the differential pressure force acting on the float valve is sufficient to compensate for its weight and the float valve is kept in the closed position although no flotation force is exerted on it, so in the previous description the line of fall is not inside the body of the float valve and the float valve does not drop to open the decompression line until the pressure drop in the chamber which is due to the passage of gas through the bypass line is sufficient to reduce the upward differential force acting on the valve body up to the point where it is less than the weight thereof, FIG. 8 schematically shows a new circuit or energy loop according to the present invention, serving to illustrate the way of using it.In the energy loop is a heat pump as shown in Figures 1 to 3 which operates as a compressor and has a gas outlet pipe 91 of the part 31b containing gas from the chamber 31, a gas outlet check valve 93 being mounted on the outlet line 91. The gas outlet line 91 is connected to a high pressure accumulator 99 which in turn is connected by a high pressure gas line. pressure 101 to a turbine 100 or similar converter producing work. An exhaust pipe 102 for gas or for fluid leaving the turbine is connected to the inlet of a condenser 103, as is a decompression pipe 61 coming from the thermal compressor. The outlet pipe coming from the condenser is connected via a liquid inlet line 33 and an inlet check valve 37 to the fluid chamber 31. Thus, as previously described, gas or vapor is produced in the fluid chamber. thermal compressor by supplying heat from the heating device 45 so as to increase the pressure in the chamber when the decompression orifice is closed by the float valve. When the pressure slightly exceeds the pressure P1 of the accumulator on the high pressure side of the system, the check valve 93 opens. High pressure gas or steam flows from chamber 31 into the accumulator, and the high pressure gas is then used to drive a turbine in which the pressure of the gas and the heat it contains are transformed into mechanical work. . The gas leaves the turbine at a pressure P3 and a temperature which are lower through a discharge line 102 and the gas liquefies in the condenser. When the level of the liquid in the chamber 31 falls sufficiently 'the weight of the float valve exceeds the flotation force of the force due to the pressure difference on either side of the decompression orifice and the latter s 'opens. The pressure prevailing in the chamber 31 drops to the pressure prevailing in the decompression line P3 and a new charge of liquid at the pressure P2 of the intake line enters the chamber to raise the level of the liquid and start a new one. cycle.
It has been found that the apparatus of the present invention is particularly suitable for the refrigeration system owing to the thermodynamic cycles which it implements and to the fact that the pumping fluid is used for refrigeration or that it is compatible with a refrigeration system. second refrigeration fluid.
As previously mentioned, the illustrative embodiments are rudimentary in shape and are designed to operate by gravity. From the above, however, it can be seen that the present invention can be easily adapted to environmental conditions in which the force of gravity is not used to generate the force exerted on the valve. float to move it away from the decompression hole. Such environments would obviously include conditions of zero gravity, vibration and acceleration in aero-space applications. In such circumstances, the force of gravity can be replaced by a centrifugal force. It can further be seen that devices according to the present invention can be grouped or paired to increase volume throughput.
To briefly illustrate, taking into account the foregoing descriptions, the application of the present invention to particular environmental conditions such as weightlessness and twin apparatus, a representative alternate embodiment is shown in Figures 10 and 11.
In this embodiment, four fluid chambers 31 and four float valves 55 are used and are oriented symmetrically about the axis of rotation of the apparatus, which is designated 100-100 in the figures. In this embodiment, the use of double-seat valves has also been shown in order to show the use of such a valve for simultaneously opening and closing the decompression line and the liquid inlet port.
Thus, in the embodiment shown in Figures 10 and 11, the cylindrical pump body 102 is mounted to rotate within an apparatus casing 103 about the longitudinal axis 100-100. The casing 103 of the apparatus has a gas outlet 104 and a liquid inlet 105 formed by shaft ends 106 and 107 respectively which are concentric with respect to the axis of rotation. The pump casing 102 is mounted so as to be able to rotate around the shaft ends by means of bearings 110 which support and rotate the pump casing 102. This is achieved by applying pressurized gas to the conduits 111 from which the gas is discharged at an angle such that it supports the pump casing 102 from the adjacent walls of the apparatus casing 103 and at the same time rotates the pump casing 102 by the reaction of the escaping gas.
The pump casing forms a cylindrical chamber which is divided into four chambers 31a, b, c, and d by transverse walls 112, 113, 114, and 115. Walls 112, 115 terminate on an inner pipe wall 117 such that the chambers 31a, 31b form annular segments. Inside each segment a float valve 55 is arranged and can move along a radius with respect to the axis. The body of each float valve has a generally triangular cross section so as to adapt to the general configuration of the annular segment within which it is arranged. Because all of the segmented chambers, float valves and valve arrangements are similar, only one of them will be described in detail. As seen in Figures 10 and 11, the valve float valve 55 includes a radially inwardly extending rod 120 and an outwardly extending rod 121 located approximately at the midpoint of the length of the float valve. A pressure relief valve member 125 carried by the valve stem 120 may mate with a pressure relief port 126 formed on the wall 117 of the interior pipe while the outer valve stem 121 carries a valve member which can mate. to an intake valve seat 128 formed in the intake wall 130. The intake wall 130 is cylindrical and surrounds a portion of the segmented chambers of which it forms a wall. The intake wall 130 is spaced apart of the end wall 132a and the interior surface 132b of the pump casing 102 so as to thus form an inlet circuit 133 of the liquid which is in communication through the inlet ports 135 with the shaft end 107 which forms an annular liquid inlet into the apparatus. The liquid inlet circuit is closed by an annular end wall 134.
A decompression line 137 is disposed symmetrically through the shaft end 107, a cheek 138 serving to separate the liquid inlet circuit from a decompression gas circuit which comprises a decompression chamber 140 and the interior opening 141 formed through the decompression pipe 137. The gas decompression circuit is thus in communication with the decompression orifices 126 formed through the wall 117 of the pipe. The decompression chamber 140 is separated by a transverse wall 143 from a gas outlet circuit 144 formed by the inner wall 117 of the pipe. The gas outlet circuit is in communication with each pump chamber 31 in its gas part 31b via gas outlet ports 146 formed through the wall 117 of the pipe. Outlet check valves 150 are arranged in the interior pipe so as to open and close the outlet ports 146.
The pressure relief port 141 and liquid inlet 128 are spaced such that when one is closed by the appropriate valve member of the float valve, the other is also closed. The use of a double seat valve acting as both a liquid inlet valve and a pressure relief valve allows the float valve to be pressure balanced so that a low weight float can act on it. large area valves.
A heat source such as a cylindrical nuclear isotope layer 151 or other suitable heat source surrounds the pump chambers, which heat source is in turn surrounded by suitable insulation 152. type known in the art are connected to the appropriate liquid inlet and gas outlet pipes of the apparatus.
The operation of the embodiment of Figures 10 and 11 is comparable to the operation of the embodiments described above except that a centrifugal force replaces the force of gravity. Thus, briefly, the embodiment of Figures 10 and 11 operates in zero gravity and in all positions by rotating the pump chambers around axis 100-100 at an appropriate rotational speed. The heat supplied to the liquid in the chambers 31 causes the liquid to vaporize and the gas thus formed floats towards the axis 100-100 of the apparatus. When the pressure prevailing inside each of the chambers 31 is equal to the pressure P1 of the outlet pipe, the outlet check valve 150 opens and the gas is discharged into the outlet pipe 104 in order to supply the system within which the device operates as a compressor.
When most of the liquid has been vaporized so that the flotation and differential pressure forces acting inward are insufficient to counteract the centrifugal force exerted outward on the float valves, those - these move outwards as a result of the imbalance of forces, as described previously. At this point, the decompression hole