利用闭合环路的蒸汽发动机发电用的氟代烃回路的制作方法

专利名称：利用闭合环路的蒸汽发动机发电用的氟代烃回路的制作方法
技术领域：
本发明涉及开发产生电力用的能量，和涉及供利用上述能量的装置和发动机，上述能量可以用于各种应用，包括产生供陆上、海上或空中运输用的电力或原动力。
背景现代产生电力的各种形式一般都与燃烧矿物燃料来产生电力有关。在这种情况下，产生一种严重的环境问题，上述环境问题取空气、水和地面污染的形式。另外，在燃烧这类燃料来产生动能时，由于形成不完全燃烧的产物，所以热效率比较低。这造成这些产物如一氧化碳，二氧化碳，氮氧化物和颗粒物的排放污染。
现已作了某些努力试图在不产生这些污染物的情况下产生电力。Willlams的美国专利4,086,772和4,170,116公开了一种连续方法和用于将热能转变成机械能的闭合循环系统。这种系统包括蒸发装置，其中包括一个具有特定喷嘴截面的能量转变管，用于将一种液态工作流体流转变成一种蒸汽流。这种蒸汽流操纵一个涡轮机装置，其中一部分蒸汽流的能量转变成机械轴功。这个系统还包括用于增加流体流的热能和静态能含量的装置，这种装置通常是泵装置。离开涡轮机装置的蒸汽部分通过冷凝装置如一种扩散器，以便再生工作液流。最后，提供用于将经过冷凝的液流再循环回到蒸发装置的装置。工作流体可以是一氧化碳，液氮，或一种氟代烃。优选的氟代烃是二氟一氯甲烷，五氟一氯乙烷，二氟二氯甲烷，及它们的混合物和共沸混合物。
Johnston的美国专利4,805,410和4,698,973公开了一些闭合环路系统，上述闭合环路系统使一种可蒸发的工作流体在它的液态和汽态之间以一种热力学工作循环形式重复循环。在这种循环中，利用从外部能源所接收的能量，在一个锅炉单元中将流体蒸发到一个高压。最终的蒸汽在一个利用能量的装置如一种可滑动的活塞中被利用，上述可滑动的活塞使一个耦合到飞轮上的曲轴旋转，以便在一个连接于其上的旋转轴处输送机械输出。此后，使蒸汽在一个冷凝单元中于一比较低的压力下冷凝成一种冷凝液，和然后返回锅炉单元用于重复热力学循环。另外，将冷凝单元和锅炉单元之间的冷凝液流收集在两个存储槽的其中之一内，上述两个存储槽与锅炉单元成选定的压力连通。优选的工作流体包括水，氟里昂或氨。另外，可以包括热再生装置用于提供工作流体的再生加热。
尽管这些现有技术系统稍微适合于它们预定的目的，但在发电方面，尤其是对于包括用于产生转矩和动力的发动机的小型更有效系统，仍然需要改进，这种改进现在由本文所公开的本发明一些实施例提供。
发明概述本发明涉及一种用于有效地产生机械能的方法，所述方法包括加热一种可蒸发的第一液体传热介质来产生一种高压蒸汽；利用高压蒸汽来提供机械能，并在此之后将蒸汽冷凝成一种液体；及将经过冷凝的液体再循环到加热步骤，用于作为第一液传热介质再用。第一传热介质保持在一种气密式密封回路中，以便在加热和冷凝步骤期间基本上没有传热介质损失发生。
有利的是，第一传热介质包括一种氟代烃或氟代烃混合物，上述氟化烃或氟代烃混合物(a)在一个低于水沸点的压力产生温度下产生一个至少400psi的高压，(b)具有一个低于水冰点的沸点，及(c)具有一个高于压力产生温度的临界温度。优选的是，第一液体传热介质包括一种氟代烃混合物，所述氟代烃混合物(a)在低于190°F的压力产生温度下产生一个至少500psi的高压，(b)具有一个低于水冰点至少10°F的沸点，及(c)具有一个高于150°F的临界温度。
加热步骤有利的是包括加热一种第二液体传热介质，上述第二液体传热介质与第一传热介质不同，并利用第二传热介质来加热和蒸发第一传热介质。第二传热介质优选的是通过核能，太阳能、电能、或燃烧矿物燃料、天然气或合成气、酒精、或作物或植物材料，加热到一个低于200°F的温度。使经过加热的第二介质通过若干热交换器管，上述热交换管接触并加热第一介质。
利用蒸汽步骤包括使蒸汽通过一个涡轮机，以便使一个轴旋转用于产生动力或转矩。旋转轴可以操作式与车轮有关，以便给车辆提供运动。当用这种方式安排时，通过涡轮机的蒸汽压力可以反向，以便给车轮和车辆提供制动。
可供选择地，利用蒸汽步骤可以包括利用用蒸汽的压力来操纵一个发动机中的一个或多个活塞来产生马力。发动机可以设置在一只艇或船上，并与一个螺旋桨或桨叶有关，以便提供海上推进力。另外，利用蒸汽步骤可以包括使蒸汽通过一个飞机发动机的涡轮，以便提供飞行推进力。
蒸汽可以在一种空气冷却式冷凝器，或一种热交换器中冷凝，上述热交换器回收蒸汽中的热量并用别的方法利用。如果希望的话，第一传热介质在回路中的运动，可以通过将它从利用蒸汽步骤泵送到冷凝步骤加以帮助。此外，可以包括安装阀来帮助介质运动。
本发明还涉及一种用于有效地产生动力或转矩的装置，所述装置包括一个闭合环路传热介质系统，上述闭合环路传热介质系统包括一个第一热交换器，所述第一热交换器用于加热一种可蒸发的第一液体传热介质，以便产生一种高压蒸汽；一个机械装置，所述机械装置利用高压蒸汽来提供机械能；一个冷凝器，所述冷凝器用于将蒸汽冷凝成一种液体；及管道系统，所述管道系统用于流体式连接第一热交换器，机械装置和冷凝器，及用于使经过冷凝的液体再循环到第一热交换器供再用。
第一热交换器具有若干交换器管，上述若干交换器管中包括一种第二液体传热介质，该第二液体传热介质与第一传热介质不同，并且装置还包括一个第二热交换器，用于加热第二传热介质，其中使经过加热的第二传热介质通过第一热交换器的各交换器管，以便加热和蒸发第一传热介质。通过一个加热装置将第二传热介质加热到一个低于200°F的温度，上述加热装置由核能、太阳能、电能、或燃烧矿物燃料、酒精，或作物或植物材料来提供动力。
第一传热介质一般保持在一个气密式密封回路中，以便在加热和冷凝步骤期间基本上没有传热介质的损失发生。另外，机械装置可以是一种涡轮机或者一种发动机，上述涡轮机使一个轴旋转，用于产生动力或转矩，上述发动机包括一个或多个活塞，同时利用蒸汽的压力来操纵发动机中的一个或多个活塞用于产生马力。发动机可以设置在一只艇或船上，并操作式与一个螺旋桨或桨叶有关，以便提供海上推进力。可供选择地，机械装置可以是飞机发动机的一个涡轮机，同时利用蒸汽的压力来操纵涡轮机，以便提供飞行推进力。
装置还可以包括一个泵，所述泵用于将第一传热介质从利用的蒸汽导引到冷凝步骤。另外，可以提供安装阀用于帮助导引第一传热介质的运动。优选的是，安装阀用电子学方法控制，并且利用一种可编程序的控制器来用电子学方法控制安装阀，以便帮助导引第一传热介质的运动。因为第一传热介质优选的是保持在低于190°F温度下的系统中，所以处理那种介质的管道系统和设备可以用塑料结构材料制造。因此，整个系统在低于200°F的温度下工作。
本发明还涉及一种用于有效地产生动力或转矩的装置，上述装置包括一个增压的气体源；第一和第二活塞，它们各具有一个活塞头和一个活塞杆；一个曲轴；及一个闭合室，所述闭合室具有用于安装活塞于其中的第一和第二末端。各活塞通过活塞杆枢轴安装到曲轴上，以便活塞头在室内成相反方向面向第一和第二末端。闭合室还包括用于将增压的气体加到闭合室中和从闭合室中排放废气的通道，同时至少一个通道设置在闭合室第一和第二末端的每一端处。
装置有利的是包括与各通道有关的控制装置，用于按一预定的方式打开和关闭各通道，以便增压的气体首先加入闭合室的第一末端，和通过膨胀变成废气，以便使第一活塞移向曲轴用于使曲轴旋转，而同时第二活塞迫使废气离开闭合室的第二末端，接着将增压的气体加入闭合室的第二末端，并使增压的气体膨胀成一种废气，以便使第二活塞移向曲轴用于进一步使曲轴旋转，而同时第一活塞迫使废气离开闭合室的第一末端，因此由于曲轴的旋转而产生动力或转矩。
在一种结构中，控制装置包括一个或多个与通道有关的机电装置，用于打开和关闭上述通道；和一个电子控制单元，所述电子控制单元用于调节机电装置的操作，以便按一预定的方式打开和关闭各通道。
在这种结构的一个实施例中，两个通道与闭合室的每个末端有关，上述两个通道包括一个用于将增压的气体加入闭合室相应一个末端的入口通道和一个用于让废气离开闭合室那个末端的分开的出口通道。优选的是，每个通道都包括取机电装置形式的控制装置，上述机电装置包括一个螺线管，并且控制单元操纵各螺线管，以便当废气离开闭合室的第二末端时，让增压的气体进入闭合室的第一末端。达到这一目的的常规方法是提供带一个定时轮的曲轴，上述定时轮与曲轴一起旋转，同时定时轮包括一个操作式与若干传感器有关的磁铁，上述各传感器连接到控制单元上，以传送涉及各活塞位置的控制单元信息，用于使控制单元能确定应激励相应螺线管来打开或关闭相应通道的时间。
在这种结构的另一个实施例中，一个通道与闭合室的每个末端有关，并用于交替式将增压的气体加入闭合室一个相应的末端，和然后让废气离开闭合室的那个末端。这里，控制装置优选的是一种机电装置，所述机电装置包括一个螺线管，所述螺线管驱动与每个通道有关的滑阀构件，并且控制单元操纵螺线管来驱动滑阀构件，以便当废气离开闭合室的第二末端时让增压的气体进入闭合室的第一末端。这种滑阀构件优选的是包括一个壳体，所述壳体具有一个入口，一个出口和一个滑动件，上述入口用于接收增压的气体，上述出口用于排放废气，而上述滑动件选择性地将增压的气体导引到闭合室的一个末端，而同时让废气通过滑阀构件壳体离开闭合室的另一末端。如上所述，曲轴有利的是包括一个定时轮，所述定时轮与曲轴一起旋转，同时定时轮包括一个操作式与若干传感器有关的磁铁，上述若干传感器连接到控制单元上，以便传送涉及各活塞位置的控制单元信息，用于使控制单元能确定应激励螺线管驱动滑阀的时间。
在另一种结构中，控制装置是一种滑阀构件，上述滑阀构件与每个通道有关，并被操纵以便当废气离开闭合室的第二末端时让增压的气体进入闭合室的第一末端。滑阀构件优选的是包括一个在壳体中活动的阀构件和一个连接于其上的杆件。利用一个将曲轴连接到滑阀杆件上的连杆，以便按预定的方式打开和关闭通道。
在还有另一种结构中，控制装置可以是用电子学方法控制的阀，操纵上述阀以便按照预定的方式选择性地打开和关闭通道。
在所有这些结构中，增压的气体优选的是本文所述的氟代烃混合物的其中之一。而且，曲轴优选的是包括若干高压密封件，以便保证没有明显的气体量从曲轴周围的闭合室中逸出。为了产生动力，曲轴可以连接到一辆车的传动系上，或者可以包括用于产生电能的绕组和电刷。
最后，本发明涉及一种蒸汽发动机，所述蒸汽发动机包括上述装置的其中之一，并包含n个闭合室和2n个活塞，其中n是2和6之间的整数。
对附图的简要说明

图1是示出本发明的新型闭合环路传热回路的示意图；图2和3示出按照本发明所述的一种在活塞冲程循环中的不同点处的两汽缸式蒸汽发动机；图4示出利用一个驱动滑阀的螺线管的两汽缸式发动机；图5示出带有机械驱动连杆的图4的发动机；及图6示出一种利用一个太阳电池帆板来加热传热流体的车辆。
对优选实施例的详细说明本发明与已知技术不同在于在一个气密式密封系统中利用低温和低沸点传热介质来提供新型动力能源。本发明在低于200°F温度下和优选的是在最高约150°F温度下操作，以便避免介质燃烧，和消除或大大减少任何气态或颗粒污染物的排放。低温还能利用低成本、重量轻的材料用于处理介质的设备，因此能制造和利用重量轻的发动机或其它产生机械力的装置。
在本发明中，可以利用各种各样传热介质的其中之一。有利的是，这些介质在远低于水的沸点的温度下都产生比较高的压力，而对本文所公开的特殊介质来说，上述温度一般低于190°F。这些介质还具有大大低于水冰点的沸点温度。在约120-180°F范围内的温度下，可以提供至少约400至高达约500-700psi的压力，而同时最优选的一些介质产生压力的温度是在约140和160°F之间。这些高压对有效地操作涡轮机或用于产生动力或转矩的相关设备是有利的。
最有利的介质是各种氟代烃，并且尽管可以单独使用一种氟代烃类，但优选的是代之以使用各种混合物，而最优选的是利用共沸混合物。用作介质的合适氟代烃类包括二氟五氟乙烷(difluoropentafluoroethane)，三氟甲烷，五氟乙烷，四氟乙烷，和三氟乙烷。某些混合物可以含有少量其它气体如烃类或卤代烃类，只要混合物的总体性能满足上述性能要求。
最优选的氟代烃类和氟代烃类混合物包括HFC-125，Blends404A，407C，和HP-80，Azeotrope 502，及共沸混合物AZ-20和AZ-50，它们全都从Allied Signal Chemicals，Morristwn，NJ购买。AZ-20在美国专利4,978,467中已有介绍，而同时AZ-50在美国专利5,211,867中已有介绍。其它有用的氟代烃类在美国专利5,403,504中已有介绍。上述这三个专利其中每个都特意包括在本文中作为参考，以达到理解这些化合物所必需的程度。
下表示出最优选的传热介质的临界温度和在各种不同温度下产生的压力。

最优选的传热介质通称为AZ-20。这种介质是一种具有沸点为-62.9°F的共沸氟代烃混合物。这种材料当加热到150°F的温度时，产生一个超过600psi的压力。这个加热步骤要求极低的能量水平，以便达到这个温度并保持它，因此能在适度加热情况下达到高压。
所有优选的介质都具有沸点为低于水的冰点至少约14°F，而一般是至少约20°F。另外，这些介质的临界温度是在150和190°F之间，而一般是约160-170°F。这些性能保证低温操作作用于产生工作压力。
当将介质加热到它的工作压力所需的能量适度时，全都要求是比较小的加热单元用于这个目的。这种单元可以在各种各样能源的其中任一种上操作，上述能源包括核能，电能，太阳能，天然气或烃类气体，或者可供选择地矿物燃料如酒精，菜油或其它可补充的材料。加热单元可以直接或间接地加热介质。例如，一种第二传热流体可以通过加热单元加热，并可以用经过加热的第二介质来加热第一传热介质。
本领域的技术人员很容易认识到，公共用和工业用的电力可以通过简单地从各种可用的能源加热由本系统产生。这些能源包括热电偶套管(thermo-wells)和弹簧，或甚至太阳光，上述这些能源在必要的地方用另一些能源如天然气或其它烃气，其它矿物燃料或任一种上述能源补充，以便得到比较低的温度用于加热介质。这也使电站的规模减到足够小而紧凑的安排，以便它们可以在一个城市，一个建筑物或甚至一个民宅中局部利用。
系统的气密密封避免产生环境污染，不需要冷却系统，及系统可以在极低的噪音水平下工作。由于本系统所必需的低工作温度，所以当利用核电来加热介质时，核电站可以将规模定在它们目前规模的一小部分处。另外，所产生的任何废热都可以收集并输送到用于加热介质的能源。
参见图1，图1示出了按照本发明所述的蒸汽发动机1。一个容器2装有一种液体传热介质3，优选的是如上所述的AZ-20，上述液体传热介质当加热到一种蒸汽时，产生一个高压。由于这个原因，容器2装备有一个热交热器4。热交换器装有乙二醇5，并且连接到一个装有那种介质供应的容器6上。容器6通过一个锅炉热交换器7或其它合适的加热装置加热到约155°F的温度。因为AZ-20的临界温度是163°F，所以工作温度保持低于160°F。锅炉7可以用许多能源的其中任一种能源17加热，上述能源包括核能，矿物燃料，天然气或酒精的燃烧，电能、太阳能、或它们的组合。此外，系统可以包括一种电加热元件27用于冷起动能力。这可以单独使用或与锅炉相结合使用。泵8使乙二醇5在热交换器4和供应容器6之间循环。
来自热交换4中乙二醇5的热量使AZ-20蒸发，并在容器2的上部产生一种高压蒸汽9。截止阀10保持高压蒸汽9合适的流经管道11和流到涡轮机12或其它产生电力的装置。如果希望的话，可以发电或者涡轮机可以操作式与若干车轮或其它产生运动的装置有关，以便产生驱动上述装置的转矩或其它的力。此后，蒸汽9持续穿过管道系统13，被泵14推动，到达冷凝器16，在此处风扇15使气体冷却，并使气体返回到一种液体。这种液体通过管道系统18，和穿过截止阀19转到容器1供再用。
如上所述，本发明对于汽车和航海运输具有实用性，并且由于低温操作，所以设备的结构材料可以是工程热塑性塑料如尼龙，聚碳酸酯，moldite，热固性塑料或复合材料等。另外，可以用重量轻的金属如铝，钛或镁。这大大减少了包括本发明系统的发动机的复杂性和重量。这也简化了发动机的操作，同时提供长使用寿命和可靠操作。因为没有内部燃烧，所以没有废气和不产生空气污染。
另外，不需要传送，因为输出可用来直接驱动轮子。发动机具有较大内燃机的转矩和马力，因为对活塞的整个冲程都应用较高的蒸汽压力。发动机的运动部件永久润滑，因此不需要进一步维护保养。另外，不需要散热器或水系统。
用电子学方法控制的阀或安装阀的安排使系统的操作方便，并且传热介质不易燃，因此与发动机点火无关。用于经过冷凝的第一液体传热介质的返回管线可用于这个目的，因为这有助于加热液体和产生蒸汽。当用这个系统作为车辆的发动机时，也可以利用比较冷的返回管线来冷却空气，用于向车上乘客提供空调。系统中所有电子器件的冷却增加了可靠性和各元件的使用寿命。主控制单元是控制系统的心脏，并编好程序以便执行所有功能。
系统不受大气条件，亦即大气压，湿度或温度的影响。所有元件的可靠性通过系统的密封保证。系统与大气暴露完全隔离有助于系统的长工作寿命。
这个系统的一个重要特点是消除了所有内部燃料元件如喷射器，燃料泵，催化转换器，供油总管，及传感器，上述所有内部燃料元件和传感器全都是价格贵、麻烦和有危险，但又是内燃机工作所必需的。
今日之发动机也变成了机械和电子元件，每个汽缸带2-5个阀的复杂阀系，采用1-2个火花塞的点火系统，多个点火线圈，及燃烧过程，燃料系统和燃料喷射过程极限的错综复杂的组合。加到这个上面的是具有催化转换器和专用消音器的排气系统。标准的汽油发动机和Diesel发动机二者需要这些元件中的大多数起作用。由于不能完全燃烧燃料，所以它们的效率仍然低。这导致不完全燃烧和大气污染。
动能也要求一个热装置源。目前利用矿物燃料和由植物类和作物所得到的酒精来完成这点。燃烧的高温要求发动机材料用特种合金和其它高级材料制造。相反，本发明是在最高约160°F的温度下用一种化学作用完成它的动力循环，上述化学反应用来形成转化到旋转和直线运动的高压。160°F的低温不需要在内燃机中使用优良金属和其它材料。高强度和重量轻的塑料可以代替金属和合金。
取消许多上述元件使这种类型的原动力简单、安全、经济、耐用，和尤其是，因为它没有大气废气，所以没有污染，和环境清洁。
图2示出一种两汽缸构造的蒸汽发动机50。这种发动机没有内燃机的大部分复杂情况。这种发动机完全是由主控制单元或MCU70控制的电子装置。这个单元是一种可编程序的微处理器，上述微处理器用来开动阀、螺线管或其它电子元件，以便打开或关闭各种通道使增压的气体导引到活塞头后部闭合室的末端或者从活塞头后部闭合室的末端排出废气。这个装置的唯一旋转部件是活塞52A、52B和曲轴53，开动所有电子阀，并编程序通过MCU70，上述MCU70接收来自磁力传感器51A、51B的信息，上述磁力传感器51A、51B通过磁铁59触发，安装在定时轮62上。各螺线管63、64、65，和66通过触发器磁铁59和传感器61A、61B按照MCU70的程序激励。
正如可以很容易看到的，高压蒸汽从容器2进入管道68，经由节流阀69通到支管58。使螺线管63和66去激励，以便让经过支管58流动到右侧汽缸52B的蒸汽膨胀进入活塞52B后面的室中，推动活塞朝曲轴53和活塞52A方向运动。同时，活塞52A移动离开曲轴53，以便通过支管60将废蒸汽排放到冷凝器16的吸气侧用于再循环和再使用。飞轮55包括一个42伏交流发电机的电绕组，和电力通过接触电刷67传送。附接到曲轴53和飞轮55上的是输出法兰盘56。
现在转向图3，活塞52A已到达室的末端并且所有废蒸汽都已排出。在旋转定时轮62上的触发器磁铁59接近传感器61A，而同时还使MCU70激励螺线管65和66及使螺线管63和64去激励，因此让压力进入活塞52A后面的室。来自管道68的压力蒸汽穿过节流阀69流入52A后面的汽缸室，以便使活塞52A移向曲轴53和活塞52B，同时迫使活塞52B后面汽缸室中的废蒸汽通过支管57排出到管道60并回到冷凝器16的吸气侧。
发动机的速度，反向和制动通过给MCU编程序用于所希望的控制和性能完成。曲轴53上的高压密封件54保证没有蒸汽损失。如果希望的话，整个单元可以气密式密封与外部大气隔绝。正如本领域的技术人员很容易理解的，发动机50可以用任何数量的汽缸和任何型式的汽缸体构成。
图4示出一种类似的两汽缸发动机构造形式80，此处各元件与图2和3的那些元件相同，但采用一种螺线管驱动式滑阀构件78和螺线管88。因为当磁铁59沿着旋转的定时轮62运动时电磁脉冲是通过传感器61B从磁铁59检测，所以MCU70激励螺线管88的线圈80，同时让螺线管线圈80通过杆90牵拉滑阀85，以便出口支管72让管道84中的蒸汽通过节流阀83流过滑阀85的出口72。支管81B让蒸汽流到活塞52B，同时迫使活塞移向曲轴53。现在活塞52A移离曲轴53，同时迫使那个汽缸中的废气通过支管81c排出，穿过滑阀85的上面部分离开出口81，然后通过出口81A出来到通向冷凝器16的返回管线79。当曲轴53到达死点时，磁铁59激励传感器61A，因而螺线管铁芯82附接到螺线管线圈87上，以便朝相反方向上重复循环。曲轴上的密封件54保证所有气体都安全地包含在系统内部。飞轮55包含用于-42伏系统的绕组，并且示出的是电刷67。法兰盘56用于传送外部动力。正如其它设计一样，如果希望的话，整个单元可以封装。
图5示出同样的发动机80，所述发动机80具有一个机械式驱动的滑阀85用的连杆100。当高压气体或蒸汽通过节流阀83转入支管86时，滑阀85通过凸轮105及连杆104A和104B的作用定位在壳体87中。蒸汽通过滑阀出口109转到活塞52B。活塞52A被迫移动，因此旋转的曲轴53和活塞52A一起使废蒸汽穿过支管109经由滑阀出口110和111排放到管道79和然后排放到冷凝器16。当曲轴53旋转时，凸轮105已前进180°，以便驱动连杆104A和104B将滑阀85移动到滑阀壳体87的对边。由于滑阀85的位置，口111和109变成废气出口，而口110变成入口。密封件54还保证防止蒸汽泄漏。飞轮55包括42伏交流发电机的绕组。电刷67使电流流向电气系统。
图6示出一种太阳能供电的机动车120。机动车包括一个太阳电池帆板122，上述太阳电池帆板122通过管道124连接到锅炉121上，以便使太阳能加热的乙二醇循环和通过锅炉加热器增加到160°F。这样在两头太阳区中增加单元的热效率。电池帆板用一种空心铜或铝板的格栅构成，乙二醇穿过上述格网循环。这种太阳电池帆板122安装在车顶中，并用透明的塑料板123保护各元件。热量还可以通过使乙二醇穿过管线126和127吸收，以便冷却产生大量热的高效电机。泵128是使流体返回锅炉121的装置。恒温器125只让经过充分加热的流体循环。电磁阀130提供电机129或其它可以得到热的区域中流体的控制。这些是一个系统的一个装置的基本细节，很多的技术可以针对上述基本细节来得到能量，上述能量是由于日益增加的总体需求所必需的，而上述装置不依靠减少矿物燃料的供给。利用可再补充的燃料，如由甘蔗、玉米、和其它植物制的酒精，可以减轻全世界的大气污染问题，正如我们目前从矿物燃料所经历的。
本发明的蒸汽发动机在操作上类似于早在1900年代的蒸汽发动机。没有什么东西与那些发动机的巨大动力和灵活性一样，并且本发明的蒸汽发动机可以接近一个早期蒸汽发动机的一些特点。它可以朝无论哪个方向旋转或者紧急停止以便起一种制动装置作用。这省去了一些传送同时造成较少的价钱贵的驱动管线用于所有运输的装置场地和制造设备。供外部用的动力通过一个电机轴经由一个壳体传送，上述壳体用现代化技术的高压密封件如汽车空调和制冷系统中所用的那些高压密封件进行密封。
本发明在军事应用中也具有实用性。由于本发明的无噪声运行，无排放物和高功率输出，所以它可以在坦克、飞机、地面维护车和海上运输装置中使用。
例子下面提供作为一种内燃机和按照本发明所述蒸汽发动机之间的比较。
带有一个4″孔径和一个3″冲程的汽缸具有37.7立方英寸。压缩比为8.54∶1。5000磅的燃烧力转变成625磅英尺的瞬时转矩。
本发明蒸汽发动机的同样汽缸，若不考虑在600磅压力(0.7854×D2)＝(0.7854×16)＝12.5664英寸2×600磅＝(7539.84)情况下的压缩比，对曲轴的全部冲程来说，具有966磅英尺的连续转矩。这与内燃机相比增加了50％以上。而且，在内燃机中，力是随着燃烧停止逐渐消耗。另外，内燃机必须通过4循环过程进行，以便重复动力循环。
本发明的蒸汽发动机是双重起作用，即它用活塞的每一个冲程产生动力。这导致一个较小的发动机具有更大的动力和更平稳的运行。因为吸气和排气系统不暴露于大气中，和系统在150°F的较低温度下工作，所以传热介质可以用各种无污染能源中的任一种加热来形成蒸汽压力。在150°F下产生超过600psi压力的AZ-20可以再循环和再用许多次，同时导致低的运行成本和维护。发动机可以根据所希望的马力造成一种具有任何合理数量汽缸的活塞发动机，或者制成一种涡轮机或叶轮式电动机。系统还可以用来起动要求高压和低温的机构。
因为本发明在本文中并参照其优选实施例作了详细说明，所以很显然，在不脱离本发明的实际精神和范围的情况下，各种修改和变动都是可能的。例如，本领域的技术人员可以按配方制造各种会满足或甚至超过本文所述操作标准的烃类传热介质混合物。另外，可以利用其它的电子控制阀或其它压力调节装置来使高压气体通入活塞头后部的装置室中。此外，MCU可以是一种微处理器或一种小型计算机。因此，专门打算所有这些修改和变化都被所附的权利要求包括。
权利要求
1.用于有效地产生机械能的方法，上述方法包括加热一种可蒸发的第一液体传热介质，以便产生一种高压蒸汽；利用高压蒸汽来提供机械能，并在此后将蒸汽冷凝成一种液体；及将经过冷凝的液体再循环到加热步骤，用于作为第一液体传热介质再用；其中第一液体传热介质包括一种氟代烃或氟代烃混合物，上述氟代烃或氟代烃混合物(a)在低于水沸点的压力产生温度下产生一个至少约400psi的高压，(b)具有一低于水冰点的沸点，及(c)具有一个临界温度，上述临界温度高于压力产生温度。
2.如权利要求1所述的方法，其中第一传热介质保持处于气密式密封回路中，以便在加热和冷凝步骤期间基本上没有传热介质的损失发生，和第一液体传热介质包括一种氟代烃混合物，上述氟代烃混合物(a)在一低于190°F的压力产生温度下产生一个至少500psi的高压，(b)具有一个至少低于水冰点10°F的沸点，及(c)具有一个高于160°F的临界温度。
3.如权利要求1所述的方法，其中加热步骤包括加热一种第二液体传热介质，并利用经过加热的第二传热介质来加热和蒸发第一传热介质，上述第二液体传热介质与第一传热介质不同，其中第二传热介质通过核能、太阳能、电能、或一种矿物燃料、一种烃气、一种酒精、或一种作物和植物材料的燃烧加热到一个低于200°F的温度，并使经过加热的第二传热介质通过若干热交换器管，上述热交换器管与第一传热介质接触用于加热第一传热介质。
4.如权利要求1所述的方法，其中利用蒸汽的步骤包括(A)使蒸汽通过一个涡轮机，以便旋转用于产生动力或转矩的轴，其中旋转轴操作式与各车轮有关，以便给车辆提供运动，或包括用于产生电能的绕组和电刷；(B)利用蒸汽的压力来操纵发动机中的一个或多个活塞以便产生马力，其中发动机设置在一只艇或船上，并操作式与螺旋桨或桨叶有关，以便提供船上的推进力；或(C)使蒸汽通过飞机发动机的涡轮，以便提供飞行推进力。
5.用于有效地产生动力或转矩的装置，上述装置包括一个闭合环路传热介质系统，所述闭合环路传热介质系统包括一个第一热交换器，上述第一热交换器用于加热一种可蒸发的第一液体传热介质以便产生一种高压蒸汽；一个机械装置，所述机械装置利用高压蒸汽来提供机械能；一个冷凝器，所述冷凝器用于将蒸汽冷凝成一种液体；及管道系统，所述管道系统用于流体式连接第一热交换器、机械装置和冷凝器，及用于将经过冷凝的液体再循环到第一热交换器中供再用；其中第一液体传热介质包括一种氟代烃或氟代烃混合物，上述氟代烃或氟代烃混合物(a)在一低于水沸点的压力产生温度下产生一种至少约400psi的高压，(b)具有一低于水冰点的沸点，及(c)具有一高于压力产生温度的临界温度。
6.如权利要求5所述的装置，其中第一热交换器包括若干交换器管，上述若干交换器管其中包括一种第二液体传热介质，该第二液体传热介质与上述第一传热介质不同，及装置还包括一个用于加热第二传热介质的第二热交换器，其中经过加热的第二传热介质通过第一热交换器的若干交换器管，以便加热和蒸发第一传热介质，及第一液体传热介质包括一种氟代烃混合物，上述氟代烃混合物(a)在一低于190°F的压力产生温度下产生一个至少约500psi的高压，(b)具有一个低于水冰点至少20°F的沸点，及(c)具有一高于160°F的临界温度。
7.如权利要求5所述的装置，其中第一传热介质保持在一个气密式密封回路中，以便在加热和冷凝步骤期间基本上没有传热介质损失发生，及第二传热介质通过一个加热装置加热到一个低于200°F的温度，上述加热装置通过核能、太阳能、电能，或一种矿物燃料、一种烃气、一种酒精、或一种作物或植物材料的燃烧产生动力。
8.如权利要求5所述的装置，还包括安装阀用于帮助导引第一传热介质的运动，其中安装阀用电子学方法控制，并利用一种可编程序的控制器或主控制单元来用电子学方法控制安装阀，以便帮助导引第一传热介质的运动，及第一传热介质在系统中保持在一低于190°F的温度下，以便处理那种介质的管道和设备用各种塑料结构材料制造。
9.用于有效地产生动力或转矩的装置，包括一个增压的气体源；第一和第二活塞，所述第一和第二活塞各具有一个活塞头和一个活塞杆；一个曲轴；一个闭合室，所述闭合室具有第一和第二末端，用于将活塞安装于其中，各活塞通过活塞杆绕枢轴安装到曲轴上，以使活塞头在室中朝相反方向面向第一和第二末端；若干通道，上述若干通道用于将增压气体加到闭合室中及从闭合室中排出废气，同时至少一个通道设置在闭合室的第一和第二末端的每一末端处；及与各通道有关的控制装置，上述控制装置用于按一预定的方式打开和关闭各通道，以便增压的气体首先加入闭合室的第一末端，并能通过膨胀变成废气使第一活塞移向曲轴用于使曲轴旋转，而同时第一活塞迫使废气离开闭合室的第二末端，接着通过将增压的气体加入闭合室的第二末端并使上述增压的气体膨胀成废气使第二活塞移向曲轴用于进一步使曲轴旋转，而同时第一活塞迫使废气离开闭合室的第一末端，因此由于曲轴的旋转而产生动力或转矩。
10.如权利要求9所述的装置，其中控制装置包括一种与各通道有关的机电装置，用于打开和关闭上述各通道；及一个用于调整机电装置操作的电子控制单元，以便各通道按预定的方式打开和关闭。
11.如权利要求9所述的装置，其中控制装置包括一个与每个通道有关的滑阀构件，上述滑阀构件包括一个在壳体内活动的阀件和一个与其连接的杆件；及一个连杆，上述连杆把曲轴连接到滑阀构件的杆件上，以便按预定的方式打开和关闭各通道。
12.如权利要求9所述的装置，其中机电装置包括若干用电子学方法控制的阀，操纵上述阀选择性地打开和关闭各通道。
13.如权利要求9所述的装置，其中两个通道与闭合室的每个末端有关，上述两个通道包括一个用于将增压的气体加入闭合室的相应末端的入口通道，和一个分开的用于让废气离开闭合室那一末端的出口通道，每个通道都包括一个机电装置，每个机电装置都包括一个螺线管，控制单元操纵各螺线管，以便当废气离开闭合室的第二末端时让增压的气体进入闭合室的第一端，及曲轴包括一个与曲轴一起旋转的定时轮，同时定时轮包括一个磁铁，上述磁铁操作式与若干传感器有关，上述若干传感器连接到控制单元上，以便传送与活塞位置有关的控制单元信息，用于使控制单元能确定相应螺线管应激励用于打开或关闭相应通道的时间。
14.如权利要求9所述的装置，其中一个通道与闭合室的每个末端相关，并用于交替式将增压的气体加入闭合室的相应末端，和然后让废气离开闭合室的那个末端，机电装置包括一个驱动滑阀构件的螺线管，每个通道都与滑阀构件有关，控制单元操纵螺线管，以便当废气离开闭合室的第二末端时驱动滑阀构件让增压的气体进入闭合室的第一末端，滑阀构件包括一个壳体，上述壳体具有一个用于接受增压的气体的入口，一个用于排放废气的出口，和一个滑动件，上述滑动件选择性地控制增压的气体朝向闭合室的一个末端，而同时让废气通过滑阀构件壳体离开室的另一个末端，及曲轴包括一个与曲轴一起旋转的定时轮，同时定时轮包括一个磁铁，上述磁铁与若干传感器操作式有关，上述若干传感器连接到控制单元上，以便传送与活塞位置有关的控制单元信息，用于使控制单元能确定螺线管应激励起动滑阀的时间。
15.如权利要求1所述的装置，其中控制装置包括一个滑阀构件，上述滑阀构件与每个通道有关，构件包括一个在壳体中活动的阀构件和一个与其连接的杆件；及一个连杆将曲轴连接到滑阀构件的杆件上，以便各通道按预定的方式打开和关闭。
16.如权利要求1所述的装置，其中曲轴包括若干高压密封件，以保证没有明显量的气体从围绕曲轴的闭合室中逸出，及曲轴连接到机动车辆的传动系上，或者包括用于产生电能的绕组和电刷。
17.蒸汽发动机包括如权利要求9所述的装置，并包含n个闭合室和2n个活塞，其中n是在1和6之间的整数。
全文摘要
用于有效地产生机械能和电能的方法和装置。方法包括以下步骤加热一种可蒸发的第一液体传热介质(3)以便产生一种高压蒸汽；利用高压蒸汽来提供机械能，并在此之后将蒸汽冷凝成一种液体；及使经过冷凝的液体再循环到加热步骤，供作为第一液体传热介质再用。装置包括一个闭合环路传热介质系统，该系统具有一个第一热交换器(4)，所述第一热交换器(4)用于加热一种可蒸发的第一液体传热介质，以便产生一种高压蒸汽；一个机械装置(12)，所述机械装置(12)利用高压蒸汽来提供机械能；一个用于将蒸汽冷凝成一种液体的凝凝器(16)；及管道系统，上述管道系统用于流体式连接第一热交换器，机械装置和冷凝器，及用于将经过冷凝的液体再循环到第一热交换器供再用。第一传热介质优选的是保持在气密式密封回路中，以便在加热和冷凝步骤期间基本上没有传热介质的损失发生，并且第一传热介质是一种氟代烃或氟代烃混合物，上述氟代烃或氟代烃混合物(a)在一低于水沸点的压力产生温度下产生一个至少约400psi的高压，(b)具有一个低于水冰点的沸点，及(c)具有一个高于压力产生温度的临界温度。另外公开的是各种装置和蒸汽发动机，上述各种装置和蒸汽发动机利用传热介质，并用来产生电力或原动力。
文档编号F01K25/08GK1589362SQ02822969
公开日2005年3月2日 申请日期2002年7月30日 优先权日2001年10月9日
发明者帕特·罗马内利 申请人:帕特·罗马内利