专利名称：用于从容器里储存的在压力下的气体产生电的设备、系统和方法
技术领域：
本发明一般地涉及用于从容器内储存的在压力下的气体产生电的设备、系统和方法，尤其涉及用于从传送到自持的呼吸装备的加压空气产生电的设备、系统和方法。
背景技术：
发电机和发动机实质上是一种机械上相同的设备。应用到特定设备的术语取决于(i)电能是否输入该设备以使电枢旋转(发动机)或(ii)是否通过输入的扭矩转动电枢产生能量(发电机)。发电机(DC和AC)用磁铁通过电磁感应将机械能转化成电能。发电机有一个主磁场，其可由一个永久磁铁或通过环绕在定子或转子上的称为励磁绕组的线圈产生。导线组成通常在转子上的电枢绕组(线圈)。当转子旋转时，线圈切割或穿过磁场。导线穿过磁场的运动产生电磁感应且在线圈内产生电压。线圈的各端，例如与称为滑动环的钢带相连接。由金属上成的碳形的小电刷从滑动环上获得电压并将其传送到发电机接线端。DC发电机有时指直流发电机。
已有多种类型的能量用来驱动发电机的电枢转动。例如，发电机已由人力、风能、水能、蒸汽能(从例如矿物燃料的燃烧)驱动。此外，专利号为4,678,922和5,801,454的美国专利披露了气动工具(例如，缓冲器、磨砂机、研磨机和抛光机，其包括空气发动机)，其包括从加压空气流中产生电能的发电机。发电机和气动工具的空气发动机形成一体。气动工具可提供由整体发电机供能的灯。该气动工具还可包括电池和储存过剩能量的蓄电池充电电路。在这种气动或风动设备中，加压/压缩空气通常从动力压缩机提供到气动工具独自向气动工具提供能量。然后空气(低压)排向周围环境而没有进一步的用处。
在气体的多种用途中，气体被加压用以储存在相对小的体积内(例如，在已知技术中的气缸内)。这种容器储存气体通常用于其它目的而不是以加压气体的形式储存机械能。例如，在自持的呼吸装备(SCBA)中，压缩空气的缸体与使用者戴的面罩流体连接。压缩气缸向SCBA的使用者提供可呼吸的空气/氧气源用以在危险的环境中呼吸。同样自持的水下呼吸装备(SCUBA)在水下时向SCUBA的使用者提供可呼吸的空气/氧气源。
对于SCBA或SCUBA的使用者(或除了呼吸外的压缩空气容器的使用者)来说也使用电动物品是很普通的。例如，装备有SCBA的消防员也可装备有如专利号为6,486,473的美国专利所披露的光源、个人报警安全系统(PASS)、和/或热成象相机。由于通过电导线将这样的设备连接到电源输出口是不切实际的，这种装置通常装备有电池。电池的使用增加了这些设备的重量和体积。一般而言，所需要的功率越大和/或电池所须提供能量的时间越长，电池必须越大且加到人体(在是消防员的情况下已经满载防毒服装和消防工具)的重量更重且体积更大。
为了减小或消除上述或其它问题，需要开发代用能源以提供电能。
发明内容
一方面，本发明提供了一种呼吸系统，包括用以储存在压力下的气体的容器，其中气体包括氧气，该容器包括一出口，气体通过该出口输出容器。该呼吸系统还包括一个包括发电机的发电机系统，该发电机可操作地与容器出口相连接，以使能量通过加压气体供给发电机。发电机将通过加压气体供应的能量转化为电能。该系统还包括与发电机相连接的流路，加压气体在向发电机提供能量后通过该流路，以及与流路流体连接的呼吸面罩。
该发电机系统可包括一壳体，该壳体包括一与容器出口流体相接的入口和一与流路流体相连接的出口。该发电机系统还包括用于旋转发电机轴的机构。该机构可以是例如与壳体入口流体连接的一涡轮机。该机构也可是操作地与壳体入口连接的叶片。
该发电机系统还可包括在壳体上的一穿通连接器，用来将电能从发电机传输到壳体外部。此外，该发电机系统还可包括一能量存储机构。该发电机还可包括一电压调节机构。在一个实施例中，该发电机系统位于气体容器内。
另一方面，本发明提供了一种用于保持加压气体的气体容器。该气体容器包括一出口，气体通过该出口从气缸输出且发电机系统位于气缸内。该系统还包括一发电机，该发电机可操作地与容器出口相连接，以使能量通过加压气体在释放出容器出口之前供给发电机。发电机将通过加压气体供应的能量转化为电能。
在又另一方面，本发明提供了一种系统，包括用以储存在压力下的气体的容器。该容器包括一出口，气体通过出口输出容器。该系统还包括一个包括发电机的发电机系统，该发电机可操作地与容器出口相连接，以使能量通过加压气体供给发电机，发电机将通过加压气体供应的能量转化为电能。系统还包括一与发电机相连接的流路，加压气体在向发电机提供能量后通过流路。
仍然在又另一方面，本发明提供了一种系统，包括用以储存在压力下的气体的容器和一个发电机系统，该发电机操作地与容器相连接。该发电机系统包括一位于壳体内的发电机。该壳体包括一与气缸出口流体连接的入口和一电气出口。能量通过壳体入口由加压气体流供给发电机。发电机将通过加压气体供应的能量转化为电能。系统还包括一与壳体出口相连接的流路，加压气体在向发电机提供能量后通过流路。
图1示出了本发明发电机系统的一个实施例部分切开的立体图。
图2示出了图1发电机系统的分解立体图。
图3示出了图1发电机系统的立体图。
图4示出了包括图1发电机系统的呼吸系统立体图。
图5示出了图4呼吸系统的原理图。
图6示出了用于与本发明发电机系统相连接的能量存储电路实施例，其包括能量存储系统和电压调节器。
图7示出了图1的发电机系统的发电机/直流发电机输出电压作为涡轮机转速的函数的曲线图。该特性是在发电机接线端断路时测得的。
图8示出了发电机/直流发电机的输出功率在15-发光二极管组负载下作为横跨涡轮机的压降的函数的曲线图。
图9示出了电压输出曲线作为横跨用于图6中电压调节电路的涡轮机的压降的函数的曲线图。
图10示出了在15-发光二极管组负载下发电机/直流发电机的调节输出作为横跨涡轮机的压降的函数的曲线图。
图11示出了图5的呼吸系统的呼吸研究结果，其中面罩压力作为时间的函数绘出。
图12示出了本发明发电机系统的另一个实施例部分切开的立体图。
图13示出了图12发电机系统的分解立体图。
图14示出了本发明发电机系统另一个实施例，其中发电机系统形成在加压气体容器内部。
图15示出了本发明发电机系统的一个实施例，其包括图14所示可用在加压气体容器内的第一级调节器。
具体实施例方式
图1至图4示出了本发明发电机系统10的实施例，其包括一具有通常为圆柱形壳体20的壳体。该壳体还包括第一端部22和第二端部24。提供有入口通道30，加压气体(例如，从图4的气缸210)通过其进入壳体20。入口通道30通过一连接器42和管道40流体连接。管道40也通过连接器44与空气涡轮机或空气发动机50流体连接。一个适于本发明的涡轮机的实例为加利福尼亚州Santa Ana的Micro Motors，Inc.的型号为MMF0700的涡轮机。空气涡轮机50包括一个轴52，其由通过空气涡轮机50的加压气体流驱动旋转。使驱动轴52旋转的加压或压缩空气从涡轮机50出来进入壳体20，该壳体最好是密封的(除了以下论述的入口通道30和出口通道90)以防止空气泄漏到周围环境中。
涡轮机50通过联结器60与发电机70相连接，该连接器连接轴52至发电机70的轴72。一个适于本发明的发电机的实例为加利福尼亚州Burlingame的Maxon Precision Motors of Burlingame的型号为RE35DC(额定功率90W)的发动机。在图1至图4的实施例中，涡轮机50和发电机70可操作地连接，并通过一个毂或框架80保持在位置上。在一个实施例中，联结器60是柔性联结以适应轴52和轴72的偏移。
发电机70的磁场取决于来自发电机用于磁化的电枢电流。由于发电机转换的电流与其转速成正比增加，当转速增加时磁场加强，相应地电枢产生更多电流。可提供一个调节器防止电流或电压超载。这样的调节器可用来调节电压或者用来调节电流。一般而言，在电气系统中电压调节器调节电压并防止额外的电压，其可产生对电气装置的损害和/或电池的超载。电流调节器是电流限制器，其防止发电机从渐增的超出额定发电机输出量输出。在图1至5的实施例中，电压调节器(见图5)被包括在内以限制发电机70产生的电压至约7伏。
发电机70包括输出端74a和74b，通过其电能可传送到电气部件或壳体20外的负载。发电机系统10可(例如)包括至少一个穿通连接器100(其最好与壳体20密封连接)以传输电能至壳体20外。一种适于用作本发明的穿通连接器的实例为俄亥俄州Dayton的Pave Technology Co.的型号为S08-SS-150-2P-PC24-6-6的螺纹连接器。穿通连接器100包括两对导线。一对导线用来从发电机70通过壳体20传输电能，而例如第二对导线可连接至一壳体内的压力传感器(未示出)以提供壳体内的压力读数。壳体20内可提供增加的或替换的传感器或者其它电气部件，信号通过一个或多个穿通连接器通信。
如图4所示，发电机系统10容易地包括在呼吸系统SCBA或SCUBA内。在这方面，图4示出了人体穿戴的呼吸系统/SCBA200，其包括压缩空气缸210。在气缸210内空气的压力可在例如约2200至4500磅/平方英寸范围内。提供控制阀220以打开或关闭气缸210的出口。量表230提供气缸210内空气压力的读数。气缸210与第一级调节器240流体连接。在本发明研究中，第一级调节器240用于将进入发电机系统10的入口30(与第一级调节器240流体连接)的空气压力降至80磅/平方英寸。发电机系统10的出口90与第二级调节器260流体连接，其用于将进入面罩300的空气压力降至约1.5英寸水柱(约0.054磅/平方英寸)。
如上所述，一种自持的呼吸装备或SCBA是一种用于在直接对生命和健康产生危险环境中使能够呼吸的设备或系统。例如，消防员在灭火时穿戴SCBA。SCBA系统的第二级调节器具有一进口阀，其响应使用者的呼吸来控制通过调节器的空气流。例如在专利号为4,821,767和5,016,627的美国专利中披露了这种呼吸控制调节器组件，其内容在此被参考引用。
典型地，一横隔膜将调节组件分为具有其压力相当于SCBA的面罩内压力的内腔和具有其压力相当于周围环境压力、通常为环境压力的外腔。横隔膜与打开和关闭入口阀门的驱动机构相联结。使用者的呼吸在调节器组件的内腔和外腔间产生压力差，其反过来引起横隔膜的移动由此控制(即打开和关闭)入口阀机构。因此，这种调节器常称为压力需求调节器。
SCBA的面罩最好相对于环境压力保持正压以防止环境中的有毒气体或蒸汽进入面罩。正压可以通过例如弹簧或其它偏置元件偏置横隔膜而便利实现。
由于第二级调节器的入口阀机构通过使用者的呼吸控制，在使用者呼气循环时没有气流通过涡轮机。如图6所示的能量存储电路提供了一种机构用以继续满足呼气循环期间、涡轮机50和发电机70空闲时的电力需求。此外，可提供蓄电池充电电路和电池可长期存储过剩能量。
在图4中，呼吸系统/SCBA200的使用者戴着背带400，该背带支持缸体支撑件420内的压缩空气储存器或气缸210。发电机系统10也通过支架430连在背带40上。与发电机系统10的穿通连接器100电连接的导线110与例如典型负载510(如一个15-发光二极管组)和520(如DRAGONFLY个人报警安全系统(PASS)，可从宾夕法尼亚州Pittsburgh的Mine Safety Appliances Company得到)中的一个或两个相连接。在转让给本发明受让人的专利号为6,198,396、5,781,118和4,688,025的美国专利论述了个人报警安全系统设备，其内容在此被参考引用。
图7示出了图1的发电机70(在本发明研究中为MaxonRE35DC)输出的电压作为涡轮机50转速的函数的曲线图。图8示出了发电机70的输出电流在15-发光二极管组负载510与发电机电连接时作为涡轮机压降的函数的曲线图。图9示出了电压输出曲线作为图6中用于电压调节电路的涡轮机压降的函数的曲线图。再次，电压限制在约7伏。图10示出了从与15-发光二极管组负载510电连接的发电机70获得的约2瓦的稳态平均持续输出功率。
可以看出，当遵守职业安全与健康国家协会(NIOSH)呼吸协定使用宾夕法尼亚州Pittsburgh的Mine Safety Appliances CompanyFIREHAWKMMRSCBA时，15-发光二极管组510和个人报警安全系统设备520可由发电机系统20驱动。在这方面，图11示出了图5的SCBA的呼吸研究结果，其中面罩压力作为时间的函数绘出。最小面罩正压约0.3英寸水柱，而最大面罩正压约2.4英寸水柱。
除了以上研究，发电机系统10被用来供能给在旁通流(即来自气缸210的空气的继续流)上的EVOLUTION5000热成像相机，释放约6瓦的功率。同样地，发电机系统10也被用来供能给在旁通流上的六光电管的MAGLITE闪光灯，释放约6瓦的功率。
对本技术领域的技术人员很明显，发电机70的输出功率可通过轴72更快的旋转而增加。发电机70的输出可通过例如增加涡轮机50的压降而增加。为了最大化入口30的压力，入口30可不插入调节器而直接与气缸210相连。发电机系统10可自身作为在SCBA200的流路内的调节器。
取决于涡轮机50出口孔的尺寸，问题可能出在向面罩30提供足够的空气，尤其是在呼吸频率高时。壳体20的空余内部体积可通过作为空气电容或蓄电池作用降低这种影响。此外，可提供旁通阀以使在需要大量空气时(如在急促呼吸时)空气绕过涡轮机50。
图12和13示出了本发明发电机系统10′的实施例，其中发电机70′的轴52′(见图13)由一个推进器或叶片50′驱动旋转。在这方面，加压空气通过入口30′进入壳体20引起叶片50′的旋转，其可操作地与轴72′相连接。空气通过出口90′从壳体20′输出，出口90′与面罩(未示出)流体连接。在操作和设计上类似于穿通连接器100的一穿通连接器100′被提供用来将发电机产生的电能传输到壳体20′的外面。
本发明的发电机系统还未在尺寸、功率输出、空气传送等方面优化。例如，减小发电机系统的尺寸可通过改变涡轮机和发电机的位置来实现。本发明发电机系统部件的尺寸、形状和集合结构可容易地改变。此外，本发明的发电机系统10″可如图14所示放置在压缩气缸210″内。在该实施例中，发电机系统10″的入口30″与气缸210″内部体积流体连接，而出口90″与气缸210″的出口212″流体连接。图15示出了本发明一个发电机系统的实施例，其包括图14所示可用在加压气体容器内的第一级调节器。在图14和15的实施例中，来自气缸的空气(或其它气体)可在4500磅/平方英寸压力下进入发电机系统入口，在80磅/平方英寸时输出发电机系统(例如，用于呼吸)。在很多其它方面，图15发电机系统的操作类似于上述发电机系统的操作。
尽管本发明发电机系统已结合在SCBA(或者实际上在水下同等物，SCUBA)中的应用进行了描述，本技术领域的技术人员理解，本发明的发电机系统可连接用于任何型号的向其它设备或系统输送的加压流体。本发明的发电机系统对于所输送流体的性质即便有也很小的影响，并不影响其最终使用，无论是用来在呼吸中消耗，还是作为燃料等消耗。
前述说明和附图阐述了目前本发明的优选实施例。各种更改、增加和替代设计对于本技术领域的技术人员在前述指导的启示下当然是显而易见的，不偏离本发明范围。本发明的范围由以下权利要求书而不是前述说明书指出。所有落入权利要求书同等物的范围和含义的改变和更改都包括在其范围内。
权利要求
1.一种呼吸系统，包括一用以储存在压力下的气体的容器，所述气体包括氧气，所述容器包括一出口，气体通过所述出口输出所述容器；一发电机系统，包括一发电机，所述发电机可操作地与所述容器出口相连接，以使能量通过所述加压气体供给所述发电机，所述发电机将通过所述加压气体供应的能量转化为电能；一与所述发电机相连接的流路，加压气体在向所述发电机提供能量后通过所述流路；以及和所述流路流体连接的一呼吸面罩。
2.如权利要求1所述的呼吸系统，其特征在于，所述发电机系统包括一壳体，所述壳体包括一与所述容器出口流体相接的入口和一与所述流路流体相连接的出口。
3.如权利要求2所述的呼吸系统，其特征在于，所述发电机系统还包括一用于旋转发电机轴的机构。
4.如权利要求3所述的呼吸系统，其特征在于，所述机构是与所述壳体入口流体连接的一涡轮机。
5.如权利要求3所述的呼吸系统，其特征在于，所述机构是与所述壳体入口可操作地连接的叶片。
6.如权利要求2所述的呼吸系统，其特征在于，所述发电机系统还包括在壳体上的一穿通连接器，用来将电能从发电机传输到所述壳体外部。
7.如权利要求1所述的呼吸系统，其特征在于，所述发电机系统还包括一能量存储机构。
8.如权利要求1所述的呼吸系统，其特征在于，所述发电机还包括一电压调节机构。
9.如权利要求1所述的呼吸系统，其特征在于，所述发电机系统位于所述气体容器内。
10.如权利要求1所述的呼吸系统，其特征在于，所述发电机系统位于所述气体容器外。
11.一种系统，包括一用以储存在压力下的气体的容器，所述容器包括一出口，气体通过所述出口输出所述容器；一发电机系统，包括一发电机，所述发电机可操作地与所述容器出口相连接，以使能量通过所述加压气体供给所述发电机，所述发电机将通过所述加压气体供应的能量转化为电能；以及一与所述发电机相连接的流路，加压气体在向所述发电机提供能量后通过所述流路。
12.一种系统，包括一用以储存在压力下的气体的容器；一可操作地与所述容器相连接的发电机系统，所述发电机系统包括一位于壳体内的发电机，所述壳体包括一与所述容器出口流体相连的入口和一出口，能量由所述加压气体通过壳体入口供给所述发电机，所述发电机将通过所述加压气体供应的能量的至少一部分转化为电能；以及一与所述壳体出口相连接的流路，加压气体在向所述发电机提供能量后通过所述流路。
全文摘要
一种呼吸系统，包括用以储存在压力下的气体的容器，其中气体包括氧气，该容器包括一出口，气体通过该出口输出所述容器。该呼吸系统还包括一个包括发电机的发电机系统，该发电机可操作地与容器出口相连接，以使能量通过所述加压气体供给发电机。发电机将通过加压气体供应的能量转化为电能。该系统还包括与发电机相连接的流路，加压气体在向发电机提供能量后通过该流路以及与所述流路流体连接的呼吸面罩。
文档编号F02C3/30GK1933874SQ200580009467
公开日2007年3月21日 申请日期2005年3月30日 优先权日2004年4月5日
发明者J·A·亨德里克森, R·D·马兰格尼, M·J·帕拉马拉 申请人:矿井安全装置公司