流体压差发动机的制作方法

专利名称：流体压差发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种发动机，尤其是涉及一种流体压差发动机，其利用流体的 热量制造出压力差或直接利用压力差，转化为活塞的往复运动，也可以进一步 将活塞的往复运动转化为轮机的转动为输出方式。
二背景技术：
在以往，将热量转化为活塞的往复运动都采用的是蒸汽机方案或内燃机方 案，蒸汽机方案即热量加热锅炉中的某种液体，产生的蒸汽作用于蒸汽室中 的活塞使之做功，然后将蒸汽排出，并使活塞复位，以此实现活塞的往复运动。 本发明中的温差发动机是对蒸汽机原理的改进，传统的蒸汽机在对外做功的时 候，要求外界输入的热量非常大，必须要能够使液体(即做功介质)发生液体转 化为气体的液气相变。但自然界中存在着大量的低温热量，其温度不足以使做 功介质发生液气相变，如海水、太阳能热水器中的水，其中都含有大量热量， 传统蒸汽机无法直接利用，这就使能量利用范围变得非常狭窄，以至于只能用 燃料产生的热量来促使液气相变的发生。本发明就针对这一缺陷进行研究，意 图是采用离常温不远的热源也能使蒸汽机工作的方法，最终的结果是发现了相 当广泛的一类发动机原理。
为了充分利用非高温流体中,有的热量，就必须考虑到将热量传递给做功 介质的那种流体其温度可能不足以使做功介质发生相变，但温度的变化会导致
许多种气体和液体发生热胀冷縮效应，当这些流体升温就会压迫活塞向外运动， 而降温就会使活塞向内运动，只要交替使流体升温和降温就可以使活塞运动，
发明内容
本发明为了解决上述背景技术中的不足之处，提供一种流体压差发动机， 其提供了做功介质可以发生液气相变也可以不发生相变时都能使活塞发生往复 运动的方法，从而能够使非高温流体中的热量转化为功，这种功可以通过发电 机进一步转化为电能。另外，本发明使发动机工作效率比蒸汽机提高了很多。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为
一种流体压差发动机，其特殊之处在于包括做功单元，做功单元由单元 连接系统连接，做功单元并与功率输出系统连接。
当采用热量作为发动机的输入时，做功单元包括承压容器，承压容器连接 有活塞以及热交换装置，容器内充盈着做功介质。
当采用流体自身的压力作为发动机的输入时，做功单元由一个上游容器、 一个或多个下游容器以及设于容器内的有阀门控制的活塞室组成。
做功单元之间需要通过单元连接系统连接起来，包括热交换装置的连接、 活塞与做功单元之间的连接、活塞与活塞之间的连接和做功介质的连接，实际 实现时，可选用其中的一些或全部连接方式。
做功介质的连接是在容器之间设置上行管道系统和下行管道系统，有阀门 控制做功介质是否进出容器，在两容器需要交换做功介质时，需要先打开两个 容器间上行管道的阀门，然后再打开两个容器间下行管道的阀门。
功率输出系统设置两套泵容器，泵容器内充盈着不可压縮流，每套泵容器 都与所有指定的做功单元的活塞通过阀门、管道相连，对于往复式功率输出管
理系统，在某一个时段，通过阀门控制着所有向外运动的活塞都与第一套泵容 器相连而所有向内运动的活塞都与第二套泵容器相连，而在下一个时段，通过 阀门控制着所有向外运动的活塞都与第二套泵容器相连而所有向内运动的活塞 都与第一套泵容器相连，两泵容器间设置双面活塞，就使所有指定的做功单元
的活塞运动都转化为该双面活塞的往复运动。对于转动式功率输出管理系统， 通过阀门控制着所有向外运动的活塞都与第一套泵容器相连而所有向内运动的 活塞都与第二套泵容器相连，两泵容器间设置轮机，第一套泵容器连接轮机入 口，第二套泵容器连接轮机出口。
做功单元的活塞其一面与做功单元中的做功介质相接触，另一面与泵容器中 的不可压縮流相接触。
一种流体压差发动机的实现方法，其特殊之处在于温差发动机若由一个 做功单元组成，则该发动机轮流输入热流和冷流对外做功；若由多个做功单元 组成，则发动机采用轮流给其中1个和多个做功单元输入热流或冷流，而同时 给其它做功单元输入冷流或热流的方式，使各做功单元出现活塞的往复运动。
一种流体压差发动机的实现方法，其特殊之处在于温差发动机由多个做 功单元组成，给做功单元每个都固定地通以热流或冷流，通过在热做功单元与 冷做功单元之间交换做功介质的方法实现活塞可持续的往复运动。
一种流体压差发动机的实现方法，其特殊之处在于活塞与做功单元之间 连接时有阀门控制，活塞向外运动时，将活塞与压强高的容器相连，活塞向内 运动时，将活塞与压强低的容器相连，温差发动机若由多个做功单元组成，每 个做功单元通过活塞定向管理系统控制在某一个时间段内与哪一个活塞相连， 活塞定向管理系统通过控制阀门的开闭，让需要向外运动的活塞与热做功单元
连通，让需要向内运动的活塞与冷做功单元连通，实现活塞的往复运动，直接 压力发动机每个做功单元通过活塞定向管理系统控制在某一个时间段内与哪一 个活塞相连，活塞定向管理系统通过控制阀门的开闭，让需要向外运动的活塞 与上游容器连通，让需要向内运动的活塞与下游容器连通，实现活塞的往复运 动。
与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下-
本发明可以用于带动发电机发电，很容易就可以达到MW级的单机发电规模，
其中温差发动机的工作不消耗任何物质，只消耗环境中自然存在的各种流体的 热量，完全不会产生温室气体，也不需要化石燃料，发电成本可以降低到几乎
为0;可以用来作为汽车的发动机，这种发动机不用燃油，夏天可以使用液体二 氧化碳作为冷流把空气作为热流，冬天可以把空气作为冷流而把随便什么燃料
作为热流，对于解决油荒问题具有现实的意义；可以适用于一切需要机械运动
的场合，具有广泛的用途。
四

图1为单做功单元温差发动机的示意图2为通过联动提高效率的双做功单元的2+-1轮值式发动机结构示意图； 图3为带有活塞联动装置的4++x-(4-X)轮值式发动机结构示意图； 图 4 为 4++3—1轮值式发动机结构示意图； 图5为1++1/2+-0换介式发动机结构示意图6为4++3-1/2+-1换介式汽车发动机示意图7为[1/1]+-1轮接式发动机水为做功介质的原理示意图8为以氨为做功介质的1阶换介的[1/1]+-1轮接换介式发动机原理图9为管理4个活塞的往复式功率输出管理系统示意图10为单做功单元的1++1轮值式泵式发动机示意图； 图11为带联动的功泵活塞结构示意图； 图12为直接压力发动机原理示意图。
图中，1-热交换装置，2-承压容器，3-做功介质，4-活塞，5-做功单元， 6-活塞联动装置，7-阀门，8-喷嘴，9-热量交换室，10-活塞联动装置，11-阀 门，12-做功介质，13-做功活塞，14-热做功单元，15-热交换装置，16-阀门， 17-上行管道系统，18-活塞联动装置，19-热做功单元，20-下行管道系统，21-热量交换室，22-冷做功单元，23-冷做功单元，24-水，25-水蒸气，26_活塞管 理系统，27-热做功单元，28-上行管道系统，29-交换室，30-冷做功单元，31-液氨，32-氨气，33-下行管道系统，34-活塞联动装置A， 35-活塞联动装置B， 38-做功单元，39-热交换装置，40-做功介质，41-定压活塞，42-轮机，43-泵 动介质，44-活塞泵，45-做功活塞，46-承压容器，47-做功介质，48-联动介质， 49-泵动介质，50-带联动的功泵活塞，51-功泵活塞，52-高压流体，53-活塞定 向管理系统，54-活塞联动装置，55-泵式功率输出管理系统。
五具体实施例方式
本发明由一个或多个做功单元组合而成，对于温差发动机而言，每个做功 单元都包含一个承压容器、至少一个活塞、至少一套热交换装置，容器中充盈 着做功介质。做功介质是液体、气体或液气混合体，要求做功介质在温度升高 时密度会减小，而在温度下降时密度会增大，导致密度发生变化的原因可以是 液体、气体的热胀冷縮效应或气液相变；做功单元应当能够通过热交换装置与 外界的流体交换热量，使做功介质的温度升高或降低；当做功介质温度升高或
降低时会导致做功介质压强增大或减小，造成活塞两面的压力不平衡，活塞对 外做功，直到压力平衡，因此温差发动机更准确的名称是温度导致的流体压差 发动机。直接压力发动机更准确的名称是非温度导致的流体压差发动机，对于 这种直接压力发动机而言，做功单元由上游容器、下游容器和至少1个由阀门 控制的活塞室组成。
做功单元的任务是提供给活塞压力，使活塞获得运动的作用力。
以下先介绍温差发动机结构
与蒸汽机相比较， 一个做功单元的温差发动机就相当于把原本的锅炉、蒸 汽室、冷凝室三个容器合并成一个容器。
当温差发动机由一个做功单元组成时，必须交替地给该发动机通入温度较 高的热流和温度较低的冷流，热流和冷流可以是气体、液体等流体，当热流作 用于温差发动机时，活塞对外做功，而冷流作用于温差发动机时，活塞就逐渐 复位，实现活塞的往复运动。与蒸汽机相比，该发动机加热时相当于把锅炉、 蒸汽室和冷凝室中的做功介质一块儿加热，而冷凝时是把锅炉、蒸汽室和冷凝 室的做功介质一块儿冷却，无疑这种发动机的热效率不如蒸汽机，但这种发动 机不要求必须发生液、气的相变，也就不要求热流有很高的温度，只要热流、 冷流之间有温度差，温差发动机就可以工作，大大地扩大了发动机的热源范围， 比如可以把地热水当作热流、河水当作冷流，或者在南极地区把海水当作热流、 把冷空气当作冷流，发动机都可以正常工作。这种单做功单元发动机的典型结 构如附图1所示。
温差发动机也可以由多个做功单元组成，此时涉及到如何将多个做功单元组 合成一个发动机的问题。本发明针对如何由多个做功单元组成一个发动机进行
了研究，解决了很多问题，涉及到以下一些方面热流/冷流如何与做功介质相 作用、不同做功单元的做功介质之间如何交换、活塞与不同做功单元做功介质 之间如何相连、活塞之间如何连接以及发动机如何输出功率。按照热流/冷流与 做功单元的关系，此时的温差发动机分为两种类型第一种是热流和冷流轮流 作用在各做功单元上，使发动机对外做功，称为轮值式发动机，第二种热流或 冷流固定地作用于做功单元，称为定值式发动机。对于定值式发动机，为了解 决活塞的往复运动问题，又有三种实现方式，第一种方式是做功介质轮流地在 不同的做功单元间交换，称为换介式发动机，第二种方式是活塞轮流地与不同 的做功单元相连接，称为轮接式发动机，第三种方式是前两种方式的综合，即 活塞轮流地与不同的做功单元相连接，而且做功介质轮流地在不同的做功单元 间交换，称为轮接换介式发动机。附图1所示的单做功单元组成的温差发动机 实质上是一种轮值式发动机。为了方便记忆，用一表示发动机采用向内运动的 活塞做功，用++表示发动机用向外运动的活塞做功，+-表示无论活塞向内、向 外运动时都做功，对于换介式发动机，用/区分冷做功单元和热做功单元，/前 为热做功单元，/后为冷做功单元，对于轮接式发动机，用[]表示括号内的做功 单元共同对外连接活塞。附图1所示的发动机为1++1发动机，前面的l表示由 l个做功单元组成，后面的++1表示有1个活塞在通热流时对外做功，由于没有 /和[]号，表示这是一种轮值式发动机。 第一类发动机轮值式发动机 一种简单的n++k轮值式发动机由n个做功单元组成，其每个做功单元都如
附图1所示的结构，此时给k个做功单元通入热流，使各做功单元轮流对外做 功，不做功的n-k个做功单元则通冷流，使活塞复位，通过适当的传动装置，
每个活塞所做的功都传递给同一个转轮，发动机以转轮运动的方式输出功率， 就可以连续地或按希望的方式对外输出功率，如果只是希望发电，也可以直接 采用往复式发电机发电。
为了提高效率，有很多措施可供采用，附图2给出了由两个做功单元组成 的2+-1轮值式发动机，该发动机的活塞联成一体，在第一个冲程，给第一个做 功单元施加热流时，第二个施加冷流，到达极限位置后再反过来给第一个做功 单元施加冷流而给第二个施加热流，以实现第二个冲程，重复进行，活塞便可
以往复运动。附图3给出了一种多个做功单元的采用活塞联动技术的4++^-(4-x) 轮值式发动机，在这种发动机方案中每个做功单元5的活塞都与活塞联动装置6 的一个活塞联结在一起，活塞联动装置6由贯通的密闭管道装置和若干个活塞 组成，管道中充盈着不可压縮流体，通过静压原理实现活塞间的传力，这种不 可压縮流体称为联动介质。联动介质通常选用水。发动机工作时同时给其中的 x二l， 2或3个做功单元通热流，使其做功，而同时给其它的4-x个做功单元通冷 流，使活塞复位，复位时的负压也作为功率输出的一个因素，因此发动机的功 率由x个向外运动的活塞和(4-x)个向内运动的活塞共同组成，通过适当的装置
就可以对外输出功率。使用活塞联动技术可以使冷做功单元对外做功成为可能， 其原理是降低了做功介质的温度后，冷做功单元内的压强会下降，活塞联动装 置上其他活塞的压强大，就会迫使冷做功单元的活塞向内做功。利用这个原理 的轮值式发动机由通入冷流的那个做功单元的活塞为输出功率的主要活塞，称 为冷轮值式发动机。利用冷轮值式发动机方案可以很方便地设计出汽车用的发 动机， 一种该方案的4++3--1发动机其结构如附图4所示，它由4个做功单元 组成，每个做功单元的活塞通过活塞联动装置10相连接，热交换装置在容器内
部的部分用阀门隔离出一个热量交换室9，在热量交换室9中可以喷入液体二氧 化碳；选用的做功介质在常温下是高压气体，在临界温度T以下会变成液体。 该发动机工作原理是做功介质在常温下是高压气体，只要将其温度下降到T 以下，它就会变成液体，导致做功单元内的压强急剧下降，通过活塞联动装置 10就能推动该做功单元的活塞做功，方向是向内；为了使温度能够急剧下降， 采用的方案是通过阀门在热交换装置中隔离出一个热量交换室9，在其中喷入液
体二氧化碳，液体二氧化碳在热量交换室中气化而吸收大量的热量，导致做功
介质的温度和压强急剧下降；其它热做功单元的压强会通过联动装置推动冷做 功单元的活塞向内运动，通过适当的装置，该发动机就可以对外输出功率；做 功单元的做功过程完成后，打开阀门，空气把冷废气冲走，同时加热该做功单 元内的做功介质，最终完成活塞位置的复原。做功介质可以选用高压二氧化碳 气体、高压氨气等。这种方案适合于作为汽车的发动机，这种发动机消耗的是 液体二氧化碳而不是汽油，液体二氧化碳是通过压缩空气获得的，因而发动机
本身并没有产生温室气体，没有任何污染，是一种环保型的发动机方案。冷轮 值式发动机的工作流程和特点与内燃机相比正好相反，内燃机是把液体转化成 高压气体，以此做功，而冷轮值式发动机是把高压气体转化为液体，以此做功; 内燃机工作时产生大量的热量，而冷轮值式发动机工作时需要吸收大量的热量。 第二类发动机换介式发动机
换介式发动机的每个做功单元总是固定地通热流或冷流，但热做功单元的 做功介质在适当的时机部分或全部与某一冷做功单元的做功介质互换，这种类 型的发动机由热做功单元组、冷做功单元组、上行管道系统、下行管道系统组 成，上行管道系统完成做功介质由热做功单元向冷做功单元的传输，而下行管道系统完成做功介质由冷做功介质向热做功单元的传输，可以采用泵或重力等 方法实现这一过程。
附图5给出了由1个热做功单元与2个冷做功单元组成的1++1/2+-0换介 式温差发动机的一种实现方法，它适用于南极或北极等寒冷地区，热流采用酒 精，酒精与海水换热，吸取海水中的热量；冷流采用空气，为了简化结构，将 冷做功单元U的专用热交换装置取消，让其容器壁承担热交换装置的功能，冷 做功单元ll的活塞不对外做功，只是为了使做功活塞在复位时尽可能地快。该发动机中热做功单元14中的做功介质吸收热量后温度升高密度变小，作用在该热容器活塞上的压力增大，热容器活塞从其初始位置向外做功，同时冷做功单元11中的做功介质12的热量被空气带走，温度降低密度变大，冷容器的活塞 从其初始位置向内运动，直到各个活塞均到达各自的极限位置；此时通过上行 管道系统连通热做功单元14和一个冷做功单元11，实现两个容器内压力相等， 然后通过下行管道系统连通，这两个承压容器中的做功介质就部分或全部互换， 可以采用使冷容器的位置高于热容器的方法，也可以采用泵来加速这一过程， 采用泵时，不一定冷容器的位置要高于热容器，同时合理地设计做功活塞的受 力方向和面积，使得两个活塞均能自动地恢复到初始位置；将两个承压容器中 的做功介质重新隔离开，可以采用阀门或隔板等手段，然后重新重复对外做功。 为了提高换介式发动机的效率，通常也可以采用活塞联动装置，最合理的方法 是热做功单元组采用一套活塞联动装置，而冷做功单元采用另外一套活塞联动 装置。管道系统也可以采用一套或多套管道装置组成，视交换两容器之间做功 介质时所需要的时间而定。换介式发动机也可以通过冷做功单元的活塞来做功， 附图6给出了一种采用冷做功单元22作为主要做功源的4++3-1/2+-1换介式
汽车发动机设计方案，这种发动机的四个热做功单元19的活塞通过活塞联动装 置18相连，采用容器外壁作为热交换装置，与空气流进行热交换，使做功介质 的温度升高；两个冷做功单元的活塞通过另外一个活塞联动装置相连，每个做 功单元都有一个热量交换室21，热量交换室21的温度很低，使做功介质的温度 降低，并且可以降低自U使做功介质由气态转化为液态的程度；使热量交换室温 度降低的方法是喷入液体二氧化碳，液体二氧化碳在热量交换室中气化成为气 体，吸收大量的热量；有由一套管道装置组成的上行管道系统17和由一套管道 装置组成下行管道系统20与所有的做功单元都分别相连，并可通过阀门控制做 功介质是否进出做功单元与管道系统之间，上行管道系统17用于将热做功单元 19的做功介质送入冷做功单元22中，而下行管道系统20用于将冷做功单元22 中的做功介质送入热做功单元19中，为了保证上述目的的实现，热做功单元19 的位置应当低于冷做功单元22，必要时可以采用泵来保证这一过程。为了述说 明确，两个冷做功单元22分别命名为A单元和B单元，该发动机由四个工况依 序发生，工况I:此时A活塞处于最外的位置，A的阀门以及原来与A相连的所 有热做功单元的阀门关闭，然后开启B以及与B相连的某热做功单元B'的上行 阀门，并向A中的热量交换室喷入液体二氧化碳，二氧化碳气化吸收热量，导 致A中的做功介质液化，压强降低，活塞向A方向移动；工况II:开启B和B' 的下行阀门，活塞继续向A运动，直到到达活塞的最内的极限位置，期间完成B 与B'之间的做功介质互换；工况III:关闭B以及与B原来相连的热做功单元B' 的所有阀门，然后开启A的上行阀门和一个热做功单元A'的上行阀门，同时在
B中的热量交换室中喷入液体二氧化碳，使活塞向B方向移动；工况IV:开启A
的下行阀门和热做功单元A'的下行阀门，活塞会继续向B方向移动，完成这两
个做功单元的做功介质互换，直到互换工作完成且A活塞到达最外的的极限位 置。重复工况I IV，冷做功单元的活塞就可以实现往复运动。 第三类发动机轮接式发动机
轮接式发动机一般结构比较复杂，它需要由热做功单元组、冷做功单元组、 活塞定向管理系统、做功介质单向传输系统组成，每个做功单元都与活塞定向 管理系统、做功介质交换系统连接。活塞定向管理系统决定着在做功时是热做 功单元组中哪一个热做功单元、冷做功单元组中哪一个冷做功单元与活塞组中 哪一个活塞相连，可以通过适当的阀门开闭来完成这一功能，当需要一个活塞 向外运动时，连接一个热做功单元与该活塞的通道，关闭所有与该活塞相连的 其他通道，当需要一个活塞向内运动时，连接一个冷做功单元与该活塞的通道， 关闭所有与该活塞相连的其他通道；由于活塞运动时，会有一定量的做功介质 被活塞压入冷做功单元中，因此还需要设置做功介质单向传输系统，把冷做功 单元中多余的做功介质重新传输到热做功单元中，在传统的蒸汽机方案中，单 向传输是通过人力或者泵等外力来完成。发动机在工作过程不能不需要外力， 不能实现无外力地全自动运行。附图7是[1/1]+_1轮接式发动机的原理示意图，
它其实就是常见的蒸汽机。做功介质为水，热流加热热做功单元27(:锅炉)，产
生水蒸汽，水蒸汽进入活塞定向管理系统26，活塞定向管理系统26通过轮流开 闭阀门的方式推动活塞往复运动，在活塞运动期间，会有一部分水蒸汽25进入 冷做功单元23 (:冷凝室)，冷做功单元23通过冷流降温使一部分水蒸汽25冷凝 为水，使冷做功单元23的压强低于热做功单元27的压强，可以保证活塞的往 复运动过程，这是工作流程。在传统蒸汽机的设计方案中，冷凝室中的水会越 来越多，而锅炉中的水会越来越少，因而在一定的时间内必须将冷凝室中的水
传输到锅炉中，本图中用泵表示了这一过程。
活塞定向管理系统也可以应用于轮值式发动机，此时的发动机称为轮值轮接 发动机。例如[2]+-1发动机是指由两个做功单元组成的轮值轮接发动机，有一 个活塞在两个冲程都做功。
第四类发动机轮接换介式发动机
与轮接式发动机不同的是，除工作流程外，轮接换介式发动机还需要换介流 程，这个流程不是单向地把做功介质由冷做功单元传输给热做功单元，而是在 两个做功单元之间互相交换等体积但不同密度的做功介质。轮接换介式发动机 的换介流程与换介式发动机的要求不完全相同，换介式发动机换介时希望热做 功单元与冷做功单元的压强相等，而轮接换介式发动机则希望热做功单元与冷
做功单元之间的压强差尽可能地大，因而需要采用不同的换介技术，这种技术 就是设置中间交换室，换介流程由三个步骤组成，第一个步骤是做功介质由冷 做功单元进入交换室，按顺序开启冷做功单元与交换室之间的上行管道系统和 下行管道系统，交换室中的热做功介质会进入冷做功单元，然后冷做功介质会 通过下行管道系统进入交换室，两者交换等体积的热做功介质，然后关闭两个 管道系统；第二个步骤在有多个交换室时需要的，这个步骤中交换室之间两两 进行换介，步骤是上位的交换室与下位的交换室之间按顺序开启上行管道系统 和下行管道系统，交换等体积的做功介质，然后关闭管道系统；第三个步骤是
按顺序开启热做功单元的上行管道系统和下行管道系统阀门，交换室中的冷做 功介质就会进入热做功单元，同时等体积的热做功介质从热做功单元中进入交 换室，最终完成两个做功单元之间做功介质的交换过程，交换完成后冷做功单 元中密度较高的冷做功介质就换成等体积的密度较低的热做功介质，相当于把
一部分质量的做功介质送入了热做功单元中。可以根据中间交换室的数量来命 名换介的阶数，0个中间交换室时称为0阶换介，1个中间交换室时称为1阶换 介，依次类推，完成换介过程的装置被称为做功介质交换系统。 一般情况下， 可以采用泵来加速做功介质的流动速度，但泵不是必需的。换介式发动机采用
的是o阶换介方案。 z
附图8给出了一种以氨为做功介质的1阶换介的[1/1]+_1轮接换介式发动 机原理图，它实质上是图7所示的蒸汽机的改进，蒸汽机采用的是常温为液体
而高温下为液体的做功介质，这里改变为以某种常温下为气态而低温下为液体 的做功介质，例如以氨为做功介质，这种发动机用常温的空气加热热做功单元
27，将其中的液氨转化为氨气，而用液体二氧化碳气化时产生的低温气体作为 冷做功单元30的冷流，使冷热功单元30中的氨气转化为液氨，这种发动机可 以和蒸汽机一样工作，而且由于采用1阶换介方案，换介流程与活塞工作流程 可以相互独立地进行，如果换介流程传递氨气/液氨的速率超过氨气由工作流程 交换的氨气的速率，冷做功单元30内的压强将会低于热做功单元27的压强， 这非常有利于提高发动机的输出功率。设计轮接换介式发动机时，为了加快做 功介质的交换速度，可以采用多套做功介质交换系统的结构，每套做功介质交 换系统都可以和部分或全部做功单元连接。
温差发动机由于不止有一个活塞，不能每个活塞都独立地对外做功，就涉 及到活塞与发动机输出方式之间的管理问题，此时还需要设置功率输出管理系 统，该系统将多个活塞的往复运动转化为一个活塞的往复运动或某种形式的转 动，其中由一个活塞作为输出方式的功率输出管理系统称为往复式功率输出管 理系统，由一个转动机构作为输出方式的功率输出管理系统称为转动式功率输
出管理系统。
本发明提出了一种往复式功率输出管理系统，其方法是使每个活塞都与两套 活塞联动装置A和B相连，每套活塞联动装置都与一个泵容器相连，泵容器之 间通过功率输出活塞隔开，可以通过阀门控制在某一个时刻活塞具体哪一套活
塞联动装置相连，需要功率输出活塞从A向B运动时，将每个向外运动的活塞 均与A相连，而每个向内运动的活塞均与B相连；需要功率输出活塞从B向A 运动时，则将每个向外运动的活塞与B相连而每个向内运动的活塞均与A相连， 这样就可以使功率输出活塞实现往复运动，而且其功率由其他活塞共同提供。 附图9给出了一种管理四个活塞的功率输出管理系统原理示意图。
在前面的叙述中，发动机对外输出功率都以活塞往复运动这种方式输出，需 要转化为旋转运动时需要采用曲柄连杆等方式转换才行，事实上温差发动机也 可以直接以旋转运动的方式对外输出功率，只要采用转动式功率输出管理系统 即可。本发明提供了一种这种方案，该功率输出管理系统是采用轮机作为功率 输出方式，为了推动轮机的运动，需要一种不可压縮流定向流动，流动的动力 由各做功单元用活塞泵的方式实现，这种类型的温差发动机称为泵式温差发动 机，这种发动机共同的特征是每个做功单元的活塞都连结着泵活塞室，泵活塞 室将不可压縮流泵入上游泵容器，或将下游泵容器中的不可压縮流泵入泵活塞 室，两个泵容器通过轮机相连，上游泵容器与轮机入口相连，下游泵容器与轮 机出口相连，不可压縮流就会推动轮机运动，这种不可压縮流称为泵动介质。
附图IO给出了单做功单元的泵式温差发动机结构示意图，该发动机分为两 个部分，第一个部分是做功单元部分，它由一个轮流输入热流和冷流的做功单 元组成，只有一套热交换装置39，因此它是1++1轮值式发动机；第二个部分是
功率输出部分，它由活塞泵44、轮机42和定压活塞41组成，活塞泵44上有两
个定向阀门，其中一个可以向外泵出泵动介质，而另外一个只能向内泵进泵动
介质，当做功单元的活塞向外运动时，活塞泵44将泵动介质43泵出，推动轮 机42转动，流经轮机42后的泵动介质43进入定压活塞41的容器中，设置定 压活塞41 一方面是为了容纳多出的泵动介质，另一方面是为了让泵动介质保持 一定的压强(=1个大气压)，这个压强将在第二个冲程中将做功单元的活塞复位， 实现做功单元活塞的往复运动。此发动机对外输出时是以轮机间歇旋转运动为 输出方式，用户根据需要用发动机来带动其它机械。
泵式发动机用到一个很重要的概念是J值，它是指泵活塞横截面积/做功活 塞横截面积的比值，发动机设计中很多参数都与J值有关，如做功单元做功介 质体积增加量为AV时，活塞泵泵出的泵动介质的体积为JAV;泵动介质的压 强为P时，做功介质的压强为JXP，因而发动机在两个冲程中，输出的功为k XJXPXAV，其中k为0 l之间的一个数，为效率系数。
称同时连结活塞泵和做功单元的活塞为功泵活塞，如果发动机由多个做功 单元组成，每个做功单元的活塞都是功泵活塞，则只需要把所有功泵活塞的泵 出阀门与轮机的入口管道系统相连，把所有功泵活塞的泵入阀门与轮机出口管 道系统相连，那么所有做功单元的功都会转化为轮机的转动，该发动机就会以 转动的方式输出功。这是实现泵式发动机的最简单的方法。功泵活塞上也可以 连结上活塞联动装置，附图ll给出了这种活塞的一种结构图。
功率输出管理系统不仅可以用于做功单元的活塞管理，也可以用于内燃机的 活塞管理、有高压流体存在等场合，只要涉及到活塞的运动，就可以采用功率 输出管理系统和联动装置。
以上是温差发动机的结构，流体压差发动机的结构在很多方面与温差发动 机是相似的，不同的是直接压力发动机的做功单元由上游容器、下游容器和活 塞室组成，为了保证活塞能够往复运动，必须采用活塞定向管理系统来调节活 塞受力方向。
附图12给出了[1/1]++1 — 1直接压力发动机的方案，它利用上游和下游流 体之间的压力差来推动发动机工作，其结构包括活塞定向管理系统53、功泵活
塞51、活塞联动装置54和泵式功率输出管理系统55，泵动介质最终推动轮机 的转动。本方案中高压流体来自上游容器，流体从出口到达下游容器，下游容 器也可以是自然界，通过活塞定向管理系统保证每个时刻有一个活塞与上游容 器相连，高压流体使活塞处于第一个冲程，而另外一个活塞与下游容器相连， 两个活塞通过活塞联动装置54相连，就可以保证另外一个活塞在第二个冲程， 推动流体进入下游容器，活塞可以实现往复运动。
一个完整的温差发动机设计方案，包括三个方面的内容做功单元的设计、
单元连接系统的设计和功率输出管理系统的设计。做功单元的设计涉及到的内 容包括如何确定做功单元的数量、每个做功单元的具体结构。单元连接系统的
设计涉及到四个系统换热装置管理系统、做功介质互换系统、活塞定向管理 系统以及活塞联动装置，换热装置管理系统用于解决热流和冷流在何时与各做 功单元交换热量的问题；做功介质互换系统用于解决各做功单元之间如何交换
做功介质的问题，本发明提供了采用上、下行管道系统辅以中间交换室的方式
实现做功单元之间做功介质的互换；活塞定向管理系统用于解决每个做功单元 到底与那个活塞相连的问题，本发明提供了采用阀门控制的方法实现做功单元 与需要的活塞的连接；活塞联动装置用于解决活塞的往复运动中的第二个冲程
中活塞复位所需的力的问题，本发明提供的方式是采用液压装置连接多个活 塞。功率输出管理系统决定了发动机以何种方式对外输出功，有两种方式，第 一种是将各做功单元的活塞运动转化为功率输出活塞的方式，使发动机对外输 出往复运动，本发明提供了采用阀门控制的方式实现了这一任务的方法；第二 种是将各做功单元的活塞运动转化为转动，本发明采用活塞泵驱动轮机运动的 方式实现了这一任务。
设计直接压力发动机的设计也同样包括做功单元系统的设计、单元连接系 统的设计和功率输出管理系统的设计。做功单元系统的设计需要确定用到的上 游容器、下游容器和活塞式的形式，单元连接系统的设计涉及到两个系统活 塞定向管理系统以及活塞联动装置。单元连接系统和功率输出管理系统的原理 和特点与温差发动机的同类系统相同。直接压力发动机上游容器中的流体通过 活塞定向管理系统作用于活塞，完成第一个冲程，在第二个冲程中下游容器与 活塞室相连，活塞室中的流体流向下游容器中。从技术的角度看，直接压力发 动机所用到的各种技术都是温差发动机设计技术中现成的，因此这两种类型的 发动机只是在动力源方面有差异，而技术上是相通的，掌握了温差发动机设计 技术后，直接压力发动机的设计没有困难；从原理上看，温差发动机只是一种 由于温度导致的流体压差发动机，而直接压力发动机是一种非温度导致的流体 压差发动机，两个推动活塞工作的原理相同，事实上，直接压力发动机实际上 是轮接式温差发动机的一种特殊形式，其上游容器就相当于热做功单元，其下 游容器就相当于冷做功单元，压差流体相当于做功介质，不同的是直接压力发 动机中流体的压差是天然存在的，而轮接式发动机的压差需要通过热流和冷流 来制造出来，因而除了有关换热装置的部分外，其余部分两者在设计思想上是一样的；从发动机编号方式看，直接压力发动机的命名方式和轮接式发动机是
一样的，[]表示活塞定向管理系统的存在，m/n中，/号前的m表示上游容器的 数量，它和热做功单元的数量是等效的，/号后的n表示下游容器的数量，它和 冷做功单元的数量是等效的，活塞做功的表示形式也是完全一样的。
本发明的优点是当两种流体有温差时，温差发动机就一定能使活塞对外做 功，输出功率的大小与流体的温差成正相关性，与承压容器的容积成正比例， 与做功介质的体积膨胀程度成正比例。由于输出功率只与温差有关，而与各流 体的温度的绝对值没有关系，因此即使是较低温度的流体，只要两种流体有一 定的温度差，也能实现做功的目的，这就大大地扩展了能量的利用范围。而且 如果流体上游和下游之间有压力差时，也可以采用本发明的技术组成直接压力 发动机，这种发动机可以和温差发动机采用同一个轮机输出功率。
对于温差发动机而言，常见的做功介质可以有液体二氧化碳、液体丙烯、 酒精、煤油、压缩空气、压縮氨气等，对于液体做功介质而言，体积热膨胀系 数越大越好；常见的热流体/冷流体对有海水/南极的空气、热带空气/海水、 地热水/河水、太阳能加热的水/河水、工业高温废气/河水、空气/液体二氧化 碳气化气体等，温差越大越好。联动介质和功泵介质可以选用酒精或水。
实现本发明时，应当根据热流和冷流的实际情况选择最合适的设计方案， 当热流体和冷流体都唾手可得时，推荐采用轮值式温差发动机，结构比较简单， 可靠性比较高，即使有一两个做功单元失效也对发动机的工作不产生很大的影 响；在希望节约热流或冷流且温差不太大的场合，推荐采用换介式温差发动机， 效率要高一些，而且在无相变的情况下也能正常工作；在两种流体温差非常大 时，推荐采用轮接换介式发动机，在采用了做功介质气液相变、多阶换介、活
塞定向管理等措施后，这种发动机在所有的发动机方案中是功率最高的。在有 高压流体存在，而且不打算回收该流体时，应该选用流体压差发动机。在功率 输出方式上推荐采用泵式发动机方式，除非特殊场合下必须使用活塞往复运动。 由于直接压力发动机只是一种特殊的温差发动机，所以当温差和压差同时 存在时可以组成一个发动机以提高效率，例如在以液体二氧化碳为"燃料"的 汽车发动机设计方案中，以液体二氧化碳气化为冷流，以空气为热流组成温差 发动机，同时气化后的高压二氧化碳气体本身也可以形成直接压力发动机，这 两种发动机连接到同一个泵式功率输出管理系统，就可以带动同一个轮机转动， 组成了一个共同的发动机，显然这种发动机的效率比单独的温差发动机或直接 压力发动机都高。
权利要求
1、一种流体压差发动机，其特征在于包括做功单元，做功单元由单元连接系统连接，做功单元并与功率输出系统连接。
2、 根据权利要求1所述的流体压差发动机，其特征在于当采用热量作为 发动机的输入时，做功单元包括承压容器，承压容器连接有活塞以及热交换装 置，容器内充盈着做功介质。
3、 根据权利要求1所述的流体压差发动机，其特征在于当采用流体自身 的压力作为发动机的输入时，做功单元由一个上游容器、 一个或多个下游容器 以及设于容器内的有阀门控制的活塞室组成。
4、根据权利要求2所述的流体压差发动机，其特征在于做功单元之间 通过单元连接系统连接，包括热交换装置的连接、活塞与做功单元之间的连接、 活塞与活塞之间的连接和做功介质的连接。
5、 根据权利要求l、 2、 3或4所述的流体压差发动机，其特征在于容器 之间设置上行管道系统和下行管道系统，有阀门控制做功介质是否进出容器。
6、 根据权利要求l、 2、 3或4所述的流体压差发动机，其特征在于设置两套泵容器，泵容器内充盈着不可压縮流，每套泵容器都与所有指定的做功单 元的活塞通过阀门、管道相连，对于往复式功率输出管理系统，在某一个时段， 通过阀门控制着所有向外运动的活塞都与第一套泵容器相连而所有向内运动的 活塞都与第二套泵容器相连，而在下一个时段，通过阀门控制着所有向外运动 的活塞都与第二套泵容器相连而所有向内运动的活塞都与第一套泵容器相连， 两泵容器间设置双面活塞，对于转动式功率输出管理系统，通过阀门控制着所 有向外运动的活塞都与第一套泵容器相连而所有向内运动的活塞都与第二套泵 容器相连，两泵容器间设置轮机，第一套泵容器连接轮机入口，第二套泵容器 连接轮机出口。
7、 根据权利要求l、 2、 3或4所述的流体压差发动机，其特征在于活塞 的一面与做功单元中的做功介质相接触，另一面与活塞泵中的不可压縮流相接 触，活塞同时与活塞联动装置中的流体相接触。
8、 根据权利要求l、 2、 3或4所述的流体压差发动机，其特征在于功率输出系统包括泵式功率输出管理系统，泵式功率输出管理系统由一个或多个活 塞泵、上游泵容器、下游泵容器、轮机、定压活塞组成，上游泵容器与轮机入 口连接，下游泵容器与轮机出口相连，活塞泵上设有定压活塞。
9、 一种流体压差发动机的实现方法，其特征在于温差发动机若由一个做 功单元组成，则该发动机轮流输入热流和冷流对外做功；若由多个做功单元组成，则发动机采用轮流给其中1个和多个做功单元输入热流或冷流，而同时给 其它做功单元输入冷流或热流的方式，使各做功单元出现活塞的往复运动。
10、 一种流体压差发动机的实现方法，其特征在于温差发动机由多个做功单元组成，给其中的部分或全部做功单元每个都固定地通以热流或冷流，通 过在热做功单元与冷做功单元之间交换做功介质的方法实现活塞的可持续往复运动。
11、 一种流体压差发动机的实现方法，其特征在于活塞与做功单元之间 连接时有阀门控制，活塞向外运动时，将活塞与压强高的容器相连，活塞向内 运动时，将活塞与压强低的容器相连，温差发动机通过活塞定向管理系统控制 在某一个时间段内与哪一个活塞相连，活塞定向管理系统通过控制阀门的开闭，让需要向外运动的活塞与热做功单元连通，让需要向内运动的活塞与冷做功单 元连通，实现活塞的往复运动，直接压力发动机每个做功单元通过活塞定向管 理系统控制在某一个时间段内与哪一个活塞相连，活塞定向管理系统通过控制 阀门的开闭，让需要向外运动的活塞与上游容器连通，让需要向内运动的活塞 与下游容器连通，实现活塞的往复运动。
全文摘要
本发明涉及一种流体压差发动机，其提供了做功介质可以发生液气相变也可以不发生相变时都能使活塞发生往复运动的方法，能够使非高温流体中的热量转化为功，这种功可以通过发电机进一步转化为电能。本发明是对蒸汽机的改进，使发动机工作效率比蒸汽机提高了很多，能量来源也比蒸汽机扩大了很多。本发明包括做功单元，做功单元由单元连接系统连接，做功单元并与功率输出系统连接。发动机最终输出方式可以是活塞的往复运动，也可以是轮机的转动，单机功率很容易便可以达到MW级，适合作为发电机或汽车等的动力装置。
文档编号F01K25/00GK101191427SQ200610104930
公开日2008年6月4日 申请日期2006年11月20日 优先权日2006年11月20日
发明者贾东明 申请人:贾东明