蒸气发生器和使用气体推进剂，特别是氢气的蒸气涡轮驱动单元的制作方法

专利名称：蒸气发生器和使用气体推进剂，特别是氢气的蒸气涡轮驱动单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种蒸气发生器和一种包含该发生器的蒸气涡轮驱动单元，它可以比实际的内燃机更优越的方式操作，没有空气污染，特别是如果使用氢气作为燃料，因为在这种情况下可避免伴随碳氢化合物燃烧产生的二氧化碳。
使用最广泛的燃料是碳氢化合物，首先是原油提炼物。根据通常的估计，原油的保有量到下世纪中叶将用尽。它们的另一个负面特性是产生二氧化碳，其有害的后果被越来越多的专家所认识到。由于较高的燃烧温度，再一个负面现象是排出的氧化氮上升，日益危害生活和健康。
为了减小上述问题，提出用氢作为燃料已经很长时间了，因为氢是取之不尽的，并在燃烧后可还原到其原始的状态。氢是最洁净的燃料，不会放出任何对环境有害的物质。由于通过适当控制可降低燃烧温度，可使氧化氮的产生减至最少。
通常使用氢作为燃烧要求建造各种用于完成与大量氢气的产生，储存和运输相关的工程项目。
然而，氢气的使用也引起许多问题。在环境温度下，气体分子氢不会立即渗透金属。原子形式的氢更危险，因为它会引起损害。当腐蚀和电解时，如果存在湿气并且氢压力较高，在温度高于430°F时可产生原子氢。在较高的温度，氢的效果包括表面或内部脱碳。表面脱碳发生在1050°F以上的温度，并且该反应由水蒸气引起。在内部脱碳过程中，氢在430°F之上的高温渗透进入钢，通过内部反应使碳化铁还原成金属铁，产生甲烷。反应产物聚集在晶粒边界和小的洞穴中，引起塑性的下降。在更严重的情况下，它们引起局部内压增长，从而形成气泡和裂纹(参见P.Webb；C.Gupta的文章”氢环境中的金属”，1984年10月的”化学工程”)。这些由氢气引起的应力型裂纹有时称做由氢气引起的滞后的刚性裂纹(delayed rigid frac-ture)或称内部含氢时的刚性(hydrogenous rigidity)。当金属长时间承受由低于屈服极限的载荷引起的拉伸应力时，通常会发生这种情况。
在低于430℃的低温时，产生脆性或形成气泡。脆性或刚性由渗透进入金属的氢气引起，减小金属的塑性和拉伸强度。
氢气对金属的作用可为可逆转的或不可逆转的。当为不可逆转的对刚性影响时，氢的吸收伴随着对金属结构的破坏，即使极微量的氢留在金属中时也会如此。这种金属例如为铜，在300℃以上的温度扩散进入金属的氢与夹杂物反应，从而产生水蒸气和金属铜。高温所面对的压力，足以使夹杂物扩展，使金属质地疏松并破坏其强度。可逆转变换可通过去除氢而进行逆转，并可重新获得原来的塑性。
氢气作为一种燃料具有非常好的性能其燃烧温度和热值较高，并能在较低的浓度燃烧，而不产生任何烟。氢气可在一内空间中燃烧(氧化)，因为可以高效率使用热能。
和天然气相比，氢气在燃烧室中的燃烧是有优点的。众所周知，火焰发热效率(当火焰不包含固体颗粒时)直接与三原子气体有关，即，当具有二氧化碳和水时。
在其燃烧产物(仅仅包含水蒸气，具有比二氧化碳高的发热)中，氢气具有较高量的三原子气体，因此，其发热能力高于天然气的发热能力。氢气火焰的发热高于天然气的发热，其外围部分较热，因此，其发热性较好。
对热传导性能进行调查表明氢气的绝热温度(2100℃)高于天然气的绝热温度(1950℃)。氢气的燃烧需要的空气(0.89m3/n/kWh)较天然气所需的空气(0.96m3/n/kWh)少。在一定的动力和扭矩下，氢气的热传导比天然气好百分之十。
氢气/空气混合物可在4％以及75％的混合比下点燃并具有较高的燃烧速度。由氢气产生的火焰经测试显示出非常好的稳定性，在任何压力下都平静而不需人工稳定。
所有这些表明氢气的燃烧无论在敞开或关闭的燃烧室中均无任何困难。其良好的发热性，热传导性和稳定性使其具有较好的能量转换效率。在内燃机中燃烧的氢气的效率可大大地提高，因为伴随着爆炸的化学反应的高温和能量只会由于摩擦，由于过热引起的永久冷却以及由于用于减少氧化氮的产生的喷水冷却而带来相当的损失。同时，从气体状态转换成液体状态(产生水和水蒸气)以不利的方式影响上升的压力条件，并且内燃机的金属部分由产生的水部分曝露于增强的腐蚀下。
很显然，除了氢气的许多有利特性，为了使用氢气作为燃料，还有许多障碍要克服。
US No.4,573,435(Shelton)描述了一种用于生产用作柴油发动机添加剂的方法和设备。在该方法中，将水喷到一输送热废气的热交换器的管束上。喷水速度如此之高以至水的相当部分分解成氢气和氧气。该气体混合物和剩余的蒸气在混合后导入燃烧室中。这种方案的缺点是以这种方法只能获得较低量的热水的分解，并且获得氢气和水蒸气严重地损害内燃机。
US No.4,253,428(Billings等人)描述了一种与用碳氢化合物作燃料的车辆的驱动系统或其替代物的氢气燃料系统，包含一燃烧单元以及一混合引入的氢气和空气的单元。
该方案的缺点是内燃机也被氢气损坏，并且在高温燃烧过程中产生氧化氮并污染环境，而氧化氮的量不能减少。
US No.4,528,947(Olivera)描述了一种与太阳能一起作用的产生氧气及氢气的设备，其中，产生氢气和氧气的电解电池与内燃机的冷却系统结合。其一个电极构成机壳，另一个构成冷却器。产生的氢气由电解质中包含的氢化物储存。
该方案的缺点是内燃机被渗入金属并破坏其结构的氢气损坏。另一个缺点是在高温燃烧过程中产生氧化氮并污染环境。
EP No.0 153 116(Sutabiraiza公司)描述了一种通过H2O等离子体的多级利用产生机械能的方法。等离子体是通过水分解获得的，并且反应压力由等离子体保持。通过活塞发动机中导电等离子体的爆炸获得机械能。
该方案的缺点是活塞发动机的金属结构被产生的氢气破坏。另一个缺点是在等离子体的非常高温的燃烧过程中，活塞机过热，即使采取冷却措施，也会导致严重的磨损。
氢气可以已知的方式储存和运输，即，在一氢化物容器中吸收入金属以金属氢化物的形式存在。
戴姆勒-奔驰公司对具有上述氢化物容器的车辆进行了测试。氢化物存储器的容积为65升，其质量为200kg，因而由输出功率为44kW的发动机可行走200km的距离。通过改进氢化物可使该距离加倍。也进行了其它类似的测试，并发现用于车辆中的传统的内燃机没有任何困难就可利用氢气。只需改变化油器和点火装置。这样，先前的机器结构可保留，而不需开发完全新的机器类型。然而，这种观点是不正确的，因为如果传统的发动机使用氢气作为燃料只能获得低的效率，并且，另一方面，氢气在金属环境中具有损坏效果，而该效果无法消除。因此，需要变化为能抵抗氢气的损坏效果并具有适当的效率的驱动单元，以允许其在能源短缺的当代社会经济地使用。
本发明的目的是提供一种比先前的推进单元更易于操作的推进单元，特别是产生较小的空气污染。
本发明的另一个目的是使用氢气作为燃料，因为在这种情况下可基本上消除碳氢化合物的燃烧产生的二氧化碳。
本发明的再一个目的是提供一种推进单元，其中通过调节产生氧化氮的燃料的燃烧，可降低燃烧温度。
本发明的再一个目的是提供一种成功地用于上述推进单元中的蒸气发生器。
本发明的再一个目的是提供一种氢气燃料推进单元，具有金属氢化物作为能源，并装备有储存上述金属氢化物的氢化物容器。
本发明的再一个目的是提供一种推进单元，用这种单元可制造对环境有利的动力车辆。
我们认识到通过再由陶瓷制成的燃烧室中燃烧与空气中的氧气混合的氢气并用于产生蒸气，可以更好的效率利用燃烧，氧化所获得的能量，并且由于燃烧过程是可调节的，燃烧温度可保持低于一定值，从而将氧化氮的产生减至最少。同时，陶瓷比内燃机部件可更好地抵抗氢气。
我们认识到如果水冷本身用于产生适于能量转换的高压蒸气，则整个热能可被利用，从而操作温度低于内燃机，有利于减少二氧化氮的产生，使其量保持最低水平。这种不需冷却的以可调节的低操作温度的方式进行的节能过程可确保氧化氮的产生保持在最低水平。这种最低量可通过一种催化剂完全过滤掉。
根据本发明的技术方案的优点也可由在封闭空间中的氢气燃烧过程中获得的效果得到支持。
为实现上述目的设计的蒸气涡轮推进单元适于用气体推进剂，特别是氢气操作，它包括如下单元一气体供应单元，装备有一供应容器，气体容器和适用于充填和气体供应的导管；一空气供应单元，设有调节空气流的装置和空气过滤器；一蒸气发生器，设有一由陶瓷壁围绕的燃烧室，它连接到上述气体供应单元和空气供应单元，其壁中设有适于蒸气发生的蒸气发生冷却管；一蒸气涡轮，由从蒸气发生冷却管获得的蒸气驱动，该涡轮的动力输出由其轴提供。
供应容器最好为包含金属粉末或颗粒氢化物容器，作为推进剂的氢气以金属氢化物的形式储存。
下面参照附图详细描述本发明，示出本发明的进一步的细节和优点。附图包括

图1为根据本发明设计的推进单元的氢气推进的实施例的部分截面视图；图2为根据图1的推进单元的蒸气发生器的截面图；图2a-2d示出用于根据图2的蒸气发生器的喷嘴的不同实施例；图2e为再加热管束的视图；图3为金属氢化物容器的截面视图；图4为根据图1的推进单元的蒸气发生器的平面截面视图；图5为根据图3的金属氢化物容器的具有带孔壁的氢气供应管；图6为根据图3的金属氢化物容器的内部视图；图7为具有一固定和支承结构的金属氢化物容器的上部视图；图8为用于装填氢气和冷却水的供应连接件的视图；图9为安装在车辆中的具有电子辅助推进单元的蒸气涡轮推进单元的俯视图；图10为安装在车辆中的燃烧机形式的具有电子辅助推进单元的蒸气涡轮推进单元的俯视图；图10A为附加的氢气和氧气发生单元的视图；图11为将供应水收集和预热容器连接到蒸气发生器的连接件的截面图；图12a为冷却块和连接的附加单元的前视图；图12b为从通风机推进器看的根据图12a的冷却块。
图1示出根据本发明的蒸气涡轮推进单元的氢气推进的实施例，也包括根据本发明的蒸气发生器。氢气储存在用于储存金属氢化物的双壁型容器8中，该容器通过氢气供应管道15与陶瓷制的燃烧室1形成的蒸气发生器的喷嘴相连。管道15包括压力和流量控制单元16，泵17，增压氢气容器18和与供应单元20相连的压力调节器19。
空气供应单元包括空气过滤器25和与空气输入管24相连的泵26，以及压力空气容器27。泵26与供应单元20相连，而供应单元通过适当的管道连接到位于陶瓷制的燃烧室1的端部的喷嘴23。
上述由陶瓷制成的燃烧室1位于壳体78以及容器中，该壳体具有保温层并具有能量转换单元。壳体中还有由蒸气发生器1供应压力蒸气的涡轮77。涡轮77的输出轴36输出动力，并且该轴与位于壳体78外侧的驱动轮或滑轮37相连。
设计用于储存金属氢化物的双壁型容器8设有一吸收氢气的颗粒或粉末状的金属屑7。在该容器的上部设置有带孔壁的氢气供应管6。它们与管4相连以通过分配管5充填氢气。管4在容器8上部离开容器。用于充填氢气的管4只在充填氢气的过程中起作用。不然的话，它向下关闭，一阀和/或盖位于图8所示的连接点75。
在需转换成金属氢化物的金属屑7中横向浸入用于加热和排出燃烧产品的多根管2，这些管与燃烧室1的出口相连。用于金属氢化物的容器8设计带有外和内容器壁11，12，内外壁之间有一公共水空间，它通过输入孔13与排出冷水的管道9和排出热水的管道10相连。
具有隔热层并包含蒸气发生器1的壳体78设计成具有一坚固的内壁2和具有隔热套3的外壳。
图2也示出用于其它目的的蒸气发生器的燃烧室1。燃烧室1具有一由陶瓷制成的内壁35a，其中有蒸气发生螺旋管道31。管道31的一端与供水管32相连，另一端与输送产生的蒸气的蒸气管道33相连。空气和氢气以及它们的混合物由喷嘴23引入燃烧室1中。喷嘴的设计和可能的实施例示于图2a-2d。来自容器8的氢气由供应单元20通过喷嘴23送入燃烧室1中。燃烧室1是一几乎完全封闭的陶瓷单元，而氢气的燃烧发生在该室或空间中。不同类型的陶瓷和玻璃陶瓷具有良好的抗热和抗氢气的损害冲击性能。在燃烧室1的壁中，蒸气发生器的管道31从燃烧室1的具有最小直径的截面处引入。燃烧室设计为朝向其具有较大直径的截面，即朝向喷嘴23的方向的锥形。管道31将陶瓷壁分成两部分，即一具有较小直径的内壁和一具有较大直径的外壁。外壁由两个相同的部分组成，而内壁最好为组合段，内外壁由螺栓连在一起。在另一种可能的设计中，具有陶瓷壁并具有截头体形的燃烧室1的外壳的壁是中空的，并且螺旋管由该中空部分形成。其密度自然应与陶瓷的一致。外壳以可分离或不可分离的方式与支承喷嘴23的板相连。对于管道31的出口和入口可使用适当的管接头来连接导管32和33。
在另一种可能的设计实施例中，在锥形燃烧室1的内部，管道31也可以接触内表面的方式放置或放置在在表面最大处走向管直径的一半的槽中。在这种情况下，管道31由可抵抗氢气的损坏效果并具有适当强度的材料制成。代表蒸气发生器的燃烧室1的外面涂有涂层35b。在使用蒸气再加热器34的情况下，也由抵抗氢气的损坏效果的材料制成的螺旋管34位于燃烧室1内侧的轴线处。
除了用于金属氢化物的双壁型容器8和上述元件以及适当的压力储存和供应单元之外，如图1所示的氢气供应系统最好包括电磁操作安全阀，止回阀和各种断开阀以及一具有适当的抵抗氢气作用的管道。输送氢气的管道从容器8，更精确地说，从其上部开始，并通过压力和流量控制单元16到达泵18，将氢气压入容器8中。从此处，氢气通过压力调节阀19输送到具有电磁安全阀21的供应器20，然后，通过分配管道到达喷嘴23而进入燃烧室1。供应器20包含一引导薄片的调节舌或环，一空转阻抑件，弹簧，波顿拉索和适当的密封件。他们由抗氢气的材料制成。预热设备28设有一输入和输出连接件并包含装有热转换薄片的管道。供应电磁体20的安全阀21的壳体可以包含一具有适当的空气间隙的管道。供应电磁体20的安全阀21包含一壳体，设有适当空气间隙的电磁盘(拉入盘)，以及一也设有适当空气间隙的封闭盘。它自动地控制。空气供应件可由通常用于车辆的标准部件装配而成。空气泵26可分为几个阶段自动操作，连接到压力空气容器27。空气从此处引入预热器28。空气与氢气相似地输送。
如上所述，燃烧室1，蒸气管33，冷凝水管32，以及一个或多个涡轮位于具有隔热壁的壳体78中。轴36从此处起动，而驱动滑轮连接在外侧。壳体78设计具有一双重壁，设有一适当厚度的隔热层和一适当的支承结构，如图4所示。壳体本身78至少在其一侧可打开，并且其内壁，即其各部分由螺钉相互固定在一起。具有适当加固部分的支承结构39连接到这些部分。内部坚固壁覆盖有一层硬的抗冲击和抗热的涂层，该涂层具有适当的厚度和隔热效果。它通过粘接或其它方式的牢固连接而固定到内壁上。壳体78的右手或左手侧可通过螺钉打开。带有适当的隔热涂层的管道通过位于壳体78上的开口，并以适当的方式密封。
当推进单元包含两个涡轮时，第一涡轮的废气蒸气由如图2e所示的螺旋管34重新加热。管束或螺旋管34绝对独立于用于蒸气发生的蒸气发生管31，而与管道31相比，再加热管34位于燃烧室1中的中心线，它设置成由弯曲管构成的束，由两个圆环连接。其材料能抵抗氢气的损坏效果。在这种再加热管34中，第二涡轮77由在该处膨胀的再热蒸气推进。当再加热管束31或34自由设置在燃烧室1中时，它应由适当的材料制成，并固定到燃烧室1的内表面。
在根据本发明的由氢气操作的推进单元的最佳设计中，氢气以在实践中成功应用的金属氢化物的形式储存。氢气由粉末或颗粒形式的金属化合物(即容器8的装料)结合，氢化镁似乎是用于该目的的最适合的物质。在放热反应中，镁吸收大量氢气，氢气储存的密度与液体状态储存的密度相近。
用于金属氢化物的容器8装备有内壁12，最好由抗热的玻璃纤维加强的人工合成树脂，例如，环氧树脂构成，以避免氢气的损坏效果。最好从容器8的最高点开始的由塑料制成的管道15排出由装料产生的氢气，并且氢气通过压力和流量控制单元16引至泵17。另一个最好由塑料制成的管4与管道15一起引至容器8中最高点，管4在容器中分支成分配管5并结束于许多具有孔壁的管6。管6最好由塑料制成。其穿孔的部分完全浸入装料层中。管4把容器8的外侧引至位于车辆侧部上的装填连接件75，该连接件具有一关闭盖和关闭阀。
外容器壁11最好由含铬，钛，钒，锆或钶的合金钢构成，其内表面设有一防腐涂层，环绕其三个侧面与内容器壁12形成一中空部分。导管9和10在孔13和14处连接到外容器壁11。在装填过程中，通过上述导管冷水通过孔13流入。在一个循环之后，水由氢气吸收过程中产生的热量加热并通过孔14离开容器。在完成装填过程之后，循环水可通过孔13和14抽出。
在装填过程中，氢气流过管道4，分配管5和穿孔管6进入作为容器8的装料的粉末或颗粒层，氢气在吸收氢气的过程中逐渐转变成金属氢化物。
在装填过程中，装填氢气的量以及金属氢化物的饱和度，即装填的完成由安装在容器8上的一个仪器指示，如果需要，也可以发出声音信号。
通过加热从容器8的装料中供送氢气。该过程产生热的潮湿的燃烧产物，离开燃烧室1并包含约百分之三十的水蒸气和主要的氮气。燃烧产物由管2输送。
当如图10所示实施例中，辅助驱动机59即一个燃烧机用于起动。该机器的废气也可用于加热，通过管2或其它分开的管引导它们。在起动过程中，在开始时也可以不供应燃烧室1氢气而供应另一种易于以液体形式储存的气体(例如丙烷-丁烷气体)的方式释放氢气。
离开燃烧室1的热燃烧产品直接或通过收集和预热供应水的容器40到达加热用于金属氢化物的容器8的管2。
管2由防腐材料，例如，陶瓷或玻璃纤维加强的塑料制成，这种材料具有良好的导热性，管具有一适于排放冷凝水的斜坡。为了提高热传导并保持均匀的温度，在管2上固定浸入容器8中的氢化物装料中的热传导板3或肋。
在氢化物容器8的外壁11上安装加强部38，例如固定成为由它们支承的各种阻尼橡胶块39的插入部。当应用车辆时，橡胶块39固定到车辆的框架，例如，适当的孔中。自然，也可设置多于一个的金属氢化物容器，以通过一适当的换向器同时或顺序装填或排空。
代表蒸气发生器的燃烧室1从外侧涂上一硬的抗冲击和耐热的隔热壁，该壁具有适当的厚度。在燃烧室1的内空间的窄端安装一适当设计的耐热管2，以引导产生的热蒸气和空气中的氮，也即燃烧产物。该管道通过供水预热器41和用于金属氢化物的容器8而引导到外侧，如图11中所示。在通过过程中，它输送冷凝水形式的燃烧产品的湿气含量，并且该冷凝水收集在水箱中以排到外侧。水由设有引导阀的收集箱76收集。在燃烧室1的壁或围绕其燃烧的空间中引导的管道31中产生的蒸气可驱动涡轮77并做机械功。管道31的强度和壁厚应根据所需的压力确定。对来自涡轮77的蒸气进行再加热的管道34的强度和厚度以同样的方式确定。管道31由与供水容器49相连的供水管32供应，而水由供水泵41输送。
涡轮77在蒸气作用下工作。为了获得适当的动力和压力，应选择一种具有好的效率的蒸气涡轮。最好应用两或三个蒸气涡轮，以获得最高效率。在这种情况下，蒸气涡轮工作导致压力下降，而前一级涡轮的废蒸气通过一再加热管道34引导并在中等或低压力的蒸气涡轮中膨胀。在所需的再加热之后，第二涡轮的蒸气可在适当压力和能量条件下引入一更低压的蒸气涡轮中。连接燃烧室1和蒸气涡轮77的管道如果需要可设有一隔热层。
涡轮77的驱动输出由轴36构成，该轴由具有适当强度的钢或钢合金制造。其尺寸考虑相对机械应力而确定，而其端部连接到一尺寸适当的传动装置，滑轮或离合器。需要时可设置一带滑轮，链轮或齿轮将能量传递给离合器44或其它驱动装置。包含燃烧室1，涡轮77和其它导管和结构元件的壳体28由加强支承结构38固定和悬挂，它另一方面固定燃烧室1，其陶瓷元件，并且另一方面加强和固定各元件，涡轮77，并使整个单元具有自支承性。在该结构38上可用螺栓，夹固或其它适当的方式固定陶瓷体，盖板，壳体和管道。为了固定整个壳体28，也可使用较低的紧固，以取代根据图4的侧向紧固39。
位于壳体28中的涡轮77或多个涡轮由一刚性紧固结构固定。此外，涡轮77的支承结构可引导通过壳体28并固定到车辆的框架结构上。支承结构最好由具有适当强度并由高强度钢制造的中空元件构成。
收集供应水的预热容器40可设置通常的元件，除气器和安全阀。其壁是隔热的，其内部具有弯曲或螺旋管道，形成一与燃烧室1的内部相连的热交换器。该热交换器由离开燃烧室1的燃烧产品加热。预热的供应水由计算机控制的多级泵41通过供水管32输送到位于或形成于燃烧室1的壁中的蒸气发生螺旋管中。
涡轮77是热传递系统的一部分并可进一步包含用于传送机械能的单元，例如，离合器，滑轮，自动离合器和类似元件。动力传送系统的起点为通过一小的滑轮与电能发生组件相连的涡轮或多个涡轮的轴36。也可将一较大的滑轮固定到轴36上，并且该滑轮37传递能量至中心离合器44以及车轮。动力传输由齿轮，皮带轮，链轮或类似的元件完成。
当推进单元应用于一车辆时，最好还需要一辅助推进设备。辅助推进设备的位置如图9和10中所示。图9示出一辅助电子推进设备，包含蓄电池65和作为由它们供电的辅助推进设备的电马达。与蒸气涡轮77的轴36相连的驱动滑轮37通过驱动滑轮42与中心离合器44的驱动滑轮47驱动接触。辅助推进设备的电马达通过一皮带传送装置连接到同一中心离合器44上。如果需要，中心离合器44包含一通过锥形轮45连接到车辆的驱动轴的齿轮箱。先前未指出的车辆轴位于驱动轴46上。图9还示出用于金属氢化物的双壁型容器8的结构，与容器相连的用于装填氢气的管道4，用于冷水供应的管道9，和排出热水的管道10。图9还示出与氢气管道15和与之相连的压力氢气容器18相关的空气过滤器25，泵26以及压力储存容器27。
图10示出一设置在一动力车辆中的推进单元，与图9所示类似，并包含一由四冲程发动机驱动的辅助推进设备59。辅助推进设备59包括一由位于燃料缸定位件60中的汽缸供应的四冲程发动机。辅助推进设备59也为驱动目的而通过传送带连接到中央离合器44。辅助推进机通过一滑轮中的电磁拉力或通过一离合器将动力传送到中央离合器44。动力传输以与图9所示相同的方式进行。图10还示出利用制动能量的设备66。该设备通过齿轮传动装置67连接到驱动轴46。利用制动能量的设备66包含电能发生组件68，在制动过程中与驱动轴46驱动接触。
根据本发明设计的推进单元设有一包含冷却件48的冷却系统。冷却件48包括一排热件，自动控制多级调节器，阀，一供水收集箱，泵和通风机。冷却件适当地放置在车辆的前部，并最好包含三个相互独立作用的单元。各冷却单元包含弯曲成曲折形的水平管，设置在位于冷却件48的垂直平面中的侧向限定壁。在这些管上放置有增加热量传递表面的板。冷却件48由支承杆系统51进行结构支承，并且该件设有一横向外壳。从输入管来的媒剂由电磁控制阀55分配。这些阀根据需要打开任何级或所有级。当温度增加时，控制设备根据要求打开越来越多的冷却级。当机器空转时，只有一级在工作，这时，媒剂由输入管53引入冷却件48。冷却下来的媒剂由输送管54从此处引入供应水的收集箱，然后进入由供水泵57引入供应水的预热容器。
为了增加冷却效率，在冷却件的内侧紧密地安装一冷却通风机58，该通风机设置在一适当的支承结构上，并可根据要求例如由电机周期性地操作。
需要辅助推进设备是因为在冷的状态下从用于氢化物的容器8接受的氢气量是不够的。为了释放氢气，用于氢化物的容器8中包含的颗粒或粉末必须加热，而该过程需要热能。该热能最好也可从其它来源获得，并且车辆的起动也需要辅助推进设备。为此，可使用由氢气，丙烷-丁烷气体或由汽油-乙醇或汽油-甲醇的混合物作为燃料的最小输出为15-20KW的四冲程内燃机。如图10中所示，设有热保护的抗冲击气缸或作为能源的其它燃料容器可放置在燃料缸固定件60中，并设置在内燃机之后。它们供应周期性的辅助推进设备，并且它们设置一具有根据四冲程内燃机的要求确定的尺寸的起动开关。
氢气产品可以这样的方式起动，即辅助推进设备的燃烧产品由一阀引导穿过用于金属氢化物的容器8或穿过其加热系统，或者分开的辅助加热管被引导穿过用于金属氢化物的容器8。
自然，辅助推进设备也可包括一具有适当输出的电机64，由具有适当的高输出的蓄能池65供电。
当应用于车辆时，根据本发明设计的推进单元可由能量回收单元完成，该单元包括利用车辆的制动能的发电机68及其附属装置。用于能量恢复和利用制动能的设备66包含一同步的计算机控制的多级齿轮传动系统67，设计用于致动具有减小的直径和较高的速度从而具有增加的更强的制动的齿轮。因而，制动能量由发生器利用用于产生电能，使用产生的电能，例如，用于给电池充电或水的分解。齿轮传动系统67只在车辆的轮毂处连接到驱动轴46，并且在制动过程中它们只与发电机68的齿轮传动系统67相连。齿轮传动系统67和发电机68根据车辆的质量和允许的制动力调节。
另一种使用制动能量的方式由如图10A所示的电解设备，该设备包含电解池69，连续地替换水和电解质的装填容器70，氢气导管73，氧气导管74，以及连接到阳极71和阴极72的电缆。由电解获得的氢气可在一氢气收集容器中由一冷凝泵冷凝，如果需要，该收集容器可设置适当的压力调节器和导管。电解容器69设有一高度测量仪器。该容器由抗冲击和耐酸的玻璃纤维加强的环氧树脂制成，并保持适当的水和电解液的高度，防止液体由于车辆运动而流动。为了防止电解容器69的可能移动，设置一具有适当安全性的支承结构。
容器69装有水以及电解质(酸，碱或盐)。在从收集在容器76中的水操作氢气时，进行水和电解质的更换，即将其泵入再充填容器70，而电解质从一可能设有一进料器的分开的电解质容器进行更换。
用于金属氢化物的容器8的装填由如图8所示的适当设计的装填连接件进行。这些连接件75位于在车辆由门关闭侧加深的空间中，并设有管接头，可向下关闭或装配一卡销。为了防止关闭盖的松动或移动，它们可设置锁紧关闭盖的紧固销。在装填站，可在这些连接件75上连接防漏软管。
在一个实施例中，连接软管的端部设有一适当的密封件和一螺纹套筒，而只有当套筒由某种力锁紧而使机构锁定时才可开始装填过程。听到”咔嗒”一声就表示已锁定了。完成装填之后，必须释放锁定。接下来可移去套筒以移开连接件。然后可给连接件75设置一保护盖。
在另一个实施例中，连接件部分可设置一磁性锁扣。根据适当的控制，它们由磁性锁扣自动地接合或分开。
自然，连接的弹性软管由具有抗氢气损坏效果的材料制成并具有适当的尺寸。为此，可使用适当质量的塑料。
通过用于金属氢化物的容器8引导至燃烧室并且与热水蒸气饱和的氮气可通过一由耐热和防腐材料制成的管道引导。设有用于收集该管道中的冷凝水的收集器(或更精确地说是小的容器)。这些小容器与将冷凝水输送到中央水收集容器的导水管相连。从收集器和小容器收集的水由一泵送至容器76，如图9所示。
除去了水蒸气和蒸气的氮气通过一包含一催化剂和一消音装置(如果需要)的排气管引导。
车辆的蓄电器由涡轮77驱动的发生器43连续充电，特别是如果辅助推进设备包含一由高能蓄电池65供应能量的电机64。
给车辆的容器8充填金属氢化物的系统制成独立或集中操作。在单独供应系统的情况下，从储存在车库的固定位置的大的氢气缸或从管道网通过一设有开关，减压器和适当的连接部件的软管进行装填。为此，软管应放置在连接件75上。在开始装填过程之前，给住宅楼提供热水和连接到大的水加热器的冷水侧并设有一循环泵和一适当的连接件的软管，以及连接到热水入口并设有一适当的连接件的水加热器的软管应连接到适当的管接头，即冷水或热水管接头上。为了易于操作，冷水、热水和氢气的装填软管结合成一个公共的管束。
装填自动地进行，并且该操作在完成时由控制系统自动关闭。因此，连接件可在任何时候断开。当氢气网络的结构与现有的家用或工业用气体供应网络功能相似时，可通过一设有一压力调节器，一开关和一连接件的软管进行。
在中央供应系统的情况下，可建立与实际充填站相似的站，不同于下面的实际充填站。
充填站设有用于储存压缩或液体氢的大的容器，如果需要可与氢气供应网络相连。氢气根据如上所述的程序充填入车辆。
充填站也与热水供应系统以及位于周围的居民楼，工厂或研究所的加热系统相连。在该系统中，也有用于热能储存的热水储存箱。当充填站在附近没有热水供应系统的地方作用时，它们也不能构成，电能可由在充填过程中获得并收集在大的储热容器中的热水通过兰金循环产生。
在其较佳的操作中，根据本发明设计的推进单元机械地控制。由机械控制手动开关起动，致动一扼流器和一脚操作的气体进料器。这些操作可由与传统的电动车辆设置完全相同的点火开关，扼流器和加速器进行。单独操作参数可由一适当的仪器显示。自动控制由连接到适当机械和电子传感器，插入元件，开关，显示器和安全单元的计算机，微处理器进行。
权利要求
1.使用气体燃料，特别是氢气的蒸气涡轮型推进单元，包括一气体供应单元，装备有一供应容器(8)，气体容器(18)和适用于充填和气体供应的导管；一空气供应单元(20)，设有调节空气流的装置和空气过滤器(25)；一蒸气发生器(1)，设有一由陶瓷壁(35a)围绕的燃烧室，它连接到上述气体供应单元和空气供应单元(2)，其壁中设有适于蒸气发生的蒸气发生冷却管(31)；一蒸气涡轮(77)，由从蒸气发生冷却管(31)获得的蒸气驱动，该涡轮的动力输出由其轴(36)提供。
2.根据权利要求1的推进单元，其特征在于，所述供应容器(8)是一个氢化物容器(8)，其中装有包含金属氢化物形式的氢气的金属颗粒或粉末。
3.根据权利要求2的推进单元，其特征在于，包含上述氢化物容器(8)的内壁(12)和外壁(11)，内外壁由水空间隔开，内壁(12)由耐热材料，最好是可能带有玻璃纤维加强的塑料制成，由内壁(12)限定的中空空间中装有以粉末或颗粒形式储存的金属化合物装料(7)，其内部伸出管(6)带有穿孔壁，这些带穿孔壁的管(6)连接到一用于充填氢气的公共管(4)，该管设有一关闭件(76)，可带有一盖(75)；内容器(12)上部与塑料制成的引导从装料(7)获得的氢气的导管(15)相连，该导管连接到气体供应单元，外壁(11)的内表面覆盖有一层耐腐蚀材料涂层，这种材料最好是钢或合金钢；水容器的下部点(13)与一适于充填水和排出水的管道(9)相连，水空间的上部(14)与用于引导热水的管道(10)相连，该管道具有耐腐蚀涂层，并且该导管的另一端设有一关闭件(75)，在这种情况下带有一关闭盖。
4.根据权利要求3的推进单元，其特征在于，提供气体供应单元的气体供应容器的氢化物容器(8)的氢气导管(15)通过压力和流量调节元件(16)和一泵(17)连接到至少一个氢气储存容器(18)；容器(18)的出口通过一压力调节阀(19)连接到供应器(20)，通过预热器(28)到达分配器(22)，并从此处通过至少一个喷嘴至由陶瓷制成的燃烧室(1)。
5.根据权利要求4的推进单元，其特征在于，所述喷嘴(23)由耐氢和耐热的金属合金制成，周围为由铂制成的点火板。
6.根据权利要求1的推进单元，其特征在于，设有一空气供应单元，它包含吸入管(24)，相连的空气过滤器(25)，泵(26)和带有一压力调节器的空气储存容器(27)，通过供应器(20)，然后通过预热器(28)连接到分配腔，并从此处通过一喷嘴(23)至由陶瓷制成的燃烧室(1)。
7.根据权利要求1的推进单元，其特征在于，蒸气发生器(1)的内陶瓷壁(35a)包含蒸气发生螺旋管(31)，并且蒸气发生单元(1)从外面由绝热涂层(35)覆盖。
8.根据权利要求1的推进单元，其特征在于，所述蒸气发生单元(1)设有内陶瓷壁(35a)，该内壁设计成中空形，上述用于蒸气发生的冷却管(31)由这些中空部分构成，并且上述中空陶瓷壁(35a)从外侧由一绝热涂层(35b)覆盖。
9.根据权利要求2的推进单元，其特征在于，上述蒸气发生单元(1)包含一由耐氢的金属合金制成的管道网络(31)，并且该管道网络就是蒸气发生管道(31)。
10.根据权利要求1的推进单元，其特征在于，上述蒸气涡轮(77)与一个三级高容量冷却件(48)的输入端(53)相连，该冷却件的第二级和第三级可由阀(55)桥接，而冷却件(48)的输出端(54)通过收集容器(56)和泵(57)终止于供水容器(40)，而供水容器(40)通过供应泵(41)连接到用于蒸气发生的冷却管(31)。
11.根据权利要求1的推进单元，其特征在于，蒸气涡轮(77)的动力输出轴(36)一方面直接通过和/或通过一离合器和/或通过一驱动件，在某些情况下通过齿轮，皮带传动装置(42)或通过一链条驱动装置连接到齿轮箱(44)的输入轴(47)，另一方面连接到用于产生电能的发电机(43)，齿轮箱(44)的输入轴(47)通过另一个离合器和增速传动装置连接到辅助驱动单元。
12.根据权利要求11的推进单元，其特征在于，上述辅助驱动单元包含一电机(64)。
13.根据权利要求11的推进单元，其特征在于，上述辅助驱动单元包含一内燃机(59)。
14.根据权利要求4，5或6的推进单元，其特征在于，上述喷嘴(23)设有一窄的输出孔(23c，23d)。
15.根据权利要求4，5或6的推进单元，其特征在于，上述喷嘴(23)的输出横截面等于前述横截面。
16.根据权利要求4，5，6，14或15的推进单元，其特征在于，输入氢气的喷嘴(23)和输入空气的喷嘴(23)交替设置并连接到用于分配氢气和空气的不同的腔。
17.根据前面任一项权利要求的推进单元，其特征在于，代表蒸气发生器的燃烧室(1)和蒸气涡轮(77)放置在绝热公共壳体(78)中。
18.根据前面任一项权利要求的推进单元，其特征在于，该单元放置在电动车辆上，并且该电动车辆设有车轮和车轮悬挂装置，而车轮悬挂装置设有一发电机(68)和一齿轮驱动装置(67)，齿轮驱动装置具有多齿轮比，用于在制动过程中连接发生器和车辆的车轮。
19.根据权利要求2-17中任一项的推进单元，其特征在于，该单元包含电解单元，用于重新获得一部分通过燃烧变换成水的氢气，设有电解容器(69)，用于连续更换电解质和水的容器(70)，用于氢气(73)和氧气(74)的导管，氢气收集容器，用于压缩氢气的泵，用于储存氢气的气缸，氢气导管设有一压力调节器和阀，以及电缆(71)。
20.一种由气体燃料，特别是氢气推进的蒸气发生器，设计用于根据前述权利要求中任何一项的推进单元，该蒸气发生器(1)设有一燃烧室，由截头体形的内陶瓷壁(35a)围绕，其陶瓷壁(35a)设有用于发生的螺旋形冷却管(31)；蒸气发生燃烧室(1)的外侧覆盖有一绝热涂层(35b)，燃烧室(1)的宽端与设置在一个平面中的喷嘴(23)相连，而其另一端与引导燃烧产品的管(2)相连。
21.根据权利要求20的蒸气发生器，其特征在于，设有一内陶瓷壁(35a)，而该陶瓷壁(35a)设计有中空部分，上述用于蒸气发生的冷却管(31)由这些中空部分构成，并且上述中空陶瓷壁(35a)的外侧围绕一绝热涂层(35b)。
22.根据权利要求20的蒸气发生器，其特征在于，它包括一由耐氢的合金制成的再加热管道网络(34)，以及上述用于蒸气发生的冷却管(31)。
23.根据权利要求20-22中任一项的蒸气发生器，其特征在于，至少有一个喷嘴(23)由一铂制的点火板围绕。
全文摘要
一种设计使用气体推进剂，特别是氢气的蒸气发生器和蒸气涡轮驱动单元，包括一气体供应单元，一空气供应单元(20)，一蒸气发生器(1)和蒸气涡轮(77)。气体供应单元设有一供应容器(8)，一气体容器(18)和用于充填和气体供应的装置。空气供应单元设有调节空气流量的仪器和空气过滤器(25)。蒸气发生器设有一具有陶瓷壁的燃烧室(1)，并且用于产生蒸气的冷却管(31)设置在燃烧室(1)中。蒸气涡轮(77)由从用于蒸气发生的冷却管(31)获得的蒸气驱动，并且其轴(36)表示动力输出。
文档编号B60K3/04GK1137818SQ9419389
公开日1996年12月11日 申请日期1994年8月23日 优先权日1993年8月23日
发明者盖博·歌德 申请人:索利诺夫·N·M·B·H·E·进出口公司