用于利用流体流的能量来发电或泵送流体的设备、方法和系统与流程

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优先权要求

本申请是非临时申请，根据35u.s.c§119要求美国临时专利申请no.62/664003的优先权，其申请日为2018年4月27日，标题为“undulatingmechanismsforharnessingtheenergyoffluidflowtogenerateelectricityorpumpfluid”(律师案号为no.162669-0038(p010z))。前述申请的全部内容整个被本文参引。

本发明总体解决了能量转换，更特别是，包括用于利用流体流的能量来发电或泵送流体的设备、方法和系统。

背景技术：

人类已经利用运动流体流的动能几千年了。最初的这种机构用于执行动能集中任务，例如碾磨谷物或从河流中取水。自从电磁发电机发明以来，运动流体的这种动能转换为电能，用于由电能-动力装置以各种方式来分配和消耗。

将水从河流升高至更高的高度(用于人类消耗或灌溉田地)是一种最古老的动能使用记录。一种这样的古代机构称为戽水车，其中，水罐或水桶固定在水轮上。当浸没时，水罐将充满，然后在沿水轮旋转的最高位置附近排空至渡槽中。在这种装置中，河流既提供水，又提供使得水运动至合适位置所需的能量。

几个世纪以来，还开发了其它用于移动水的方法，例如液压柱塞泵和风力泵，但是目前，由电马达或内燃机驱动的泵通常执行这种功能。

技术实现要素：

用于利用流体流的能量来发电或泵送流体的设备、方法和系统包括一种装置，当放置在流体流中时，该装置利用流体的动能来发电或执行有用的机械工作，例如泵送。例如，通过将沿柔性翅片的变化的速度和扭矩汇集至统一循环系统中，可以利用沿柔性翅片的行进波的起伏机械作用，以便取出动力或提取流体。该装置可以包括两个翅片、底盘和泵装置(例如波纹管、活塞、旋转叶片等)，它们通过管或导管的循环系统来连接。由于沿成对翅片的行进波，沿两个耦合翅片的局部旋转的行进区域施加对抗力，该对抗力使泵装置(例如波纹管、活塞、旋转叶片等)等膨胀或收缩，以便在装置内部产生流体体积变化、压力变化和流体循环。对于泵实施方式(例如用于从河流中泵送水)，环境水被吸入所述装置的循环系统中，并通过出口导管排出。对于发电机实施方式，装置的循环系统内部的截留流体通过闭环系统来循环，在该闭环系统中布置有涡轮或其它能够将流体流转换成电能的换能器。在弯管/活塞/旋转叶片等的任一端处的止回阀使得装置的循环系统内保持定向的流体流。

在一个实施例中，公开了一种机构，它包括：泵装置，该泵装置有左侧和右侧；第一铰接联接部件，该第一铰接联接部件在第一端处与泵装置的左侧旋转地联接，并在第二端处与公共框架旋转地联接；第二铰接联接部件，该第二铰接联接部件在第一端处与泵装置的右侧旋转地联接，并在第二端处与公共框架旋转地联接；第一柔性翅片，该第一柔性翅片在内部第一边缘处与第一铰接联接部件的第二端连接；第二柔性翅片，该第二柔性翅片在内部第二边缘处与第二铰接联接部件的第二端连接；以及导管，该导管与泵装置流体连通，其中，由流动流体引起的第一和第二柔性翅片的振荡导致泵装置膨胀和收缩，以便在导管中泵送流体。

在另一实施例中，公开了一种机构，它包括：多个泵装置，这些泵装置布置在公共框架的臂之间，各泵装置有左侧和右侧；多个第一铰接联接部件，各第一铰接联接部件在第一端处与该多个泵装置中的一个的左侧旋转地联接，并在第二端处与公共框架的左臂旋转地联接；多个第二铰接联接部件，各第二铰接联接部件在第一端处与该多个泵装置中的一个的右侧旋转地联接，并在第二端处与公共框架的右臂旋转地联接；第一有齿条带，该第一有齿条带在内部第一边缘处与各第一铰接联接部件的第二端连接；第二有齿条带，该第二有齿条带在内部第二边缘处与各第二铰接联接部件的第二端连接；液压软管，该液压软管与多个泵装置流体连通，其中，各第一和第二有齿条带中有由公共框架保持的持续变形部，且由流动流体引起的、第一和第二有齿条带的持续变形部的振荡导致多个泵装置的膨胀和收缩，以便将流体泵送至液压软管中；多个左止回阀和右止回阀，各左止回阀邻近该多个泵装置中的一个的左侧，各右止回阀邻近该多个泵装置中的一个的右侧，且该多个左止回阀和右止回阀用于限制在液压软管中的泵送流体的方向；涡轮，该涡轮与液压软管连接，其中，泵送流体在涡轮上引起扭矩负载；发电机，该发电机与涡轮联接，并设置成将涡轮响应扭矩负载的旋转转换成电力；齿轮箱，该齿轮箱插入在涡轮的输出轴与发电机的输入轴之间。

在另一实施例中，一种方法包括：将具有左侧和右侧的泵装置布置在公共框架的左臂和右臂之间；使得第一铰接部件在第一端处与泵装置的左侧旋转地联接；使得第一铰接部件在第二端处与公共框架的左臂旋转地联接；使得第二铰接部件在第一端处与泵装置的右侧旋转地联接；使得第二铰接部件在第二端处与公共框架的右臂旋转地联接；使得第一柔性翅片在内部第一边缘处与第一铰接联接部件的第二端连接；使得第二柔性翅片在内部第二边缘处与第二铰接联接部件的第二端连接；使得导管与泵装置流体连通地连接，其中，由流动流体引起的、第一和第二柔性翅片的振荡导致泵装置膨胀和收缩，以便将流体泵送至导管中。

在另一实施例中，公开了一种机构，包括：波纹管，该波纹管有左侧和右侧；第一铰接联接部件，该第一铰接联接部件在第一端处与波纹管的左侧旋转地联接，并在第二端处与公共框架旋转地联接；第二铰接联接部件，该第二铰接联接部件在第一端处与波纹管的右侧旋转地联接，并在第二端处与公共框架旋转地联接；第一柔性翅片，该第一柔性翅片在内部第一边缘处与第一铰接联接部件的第二端连接；第二柔性翅片，该第二柔性翅片在内部第二边缘处与第二铰接联接部件的第二端连接；以及导管，该导管与波纹管流体连通，其中，由流动流体引起的、第一和第二柔性翅片的振荡导致波纹管的膨胀和收缩，以便将流体泵送至导管中。

在另一实施例中，公开了一种机构，包括：多个波纹管，这些波纹管布置在公共框架的臂之间，各波纹管有左侧和右侧；多个第一铰接联接部件，各第一铰接联接部件在第一端处与该多个波纹管中的一个的左侧旋转地联接，并在第二端处与公共框架的左臂旋转地联接；多个第二铰接联接部件，各第二铰接联接部件在第一端处与多个波纹管中的一个的右侧旋转地联接，并在第二端处与公共框架的右臂旋转地联接；第一有齿条带，该第一有齿条带在内部第一边缘处与各第一铰接联接部件的第二端连接；第二有齿条带，该第二有齿条带在内部第二边缘处与各第二铰接联接部件的第二端连接；液压软管，该液压软管与多个波纹管流体连通，其中，各第一和第二有齿条带中有由公共框架保持的持续变形部，且由流动流体引起的、第一和第二有齿条带的持续变形部的振荡导致该多个波纹管的膨胀和收缩，以便将流体泵送至液压软管中；多个左止回阀和右止回阀，各左止回阀邻近该多个波纹管中的一个的左侧，各右止回阀邻近该多个波纹管中的一个的右侧，该多个左止回阀和右止回阀阀用于限制在液压软管中的泵送流体的方向；涡轮，该涡轮与液压软管连接，其中，泵送流体在涡轮上引起扭矩负载；发电机，该发电机与涡轮联接，并设置成将涡轮响应扭矩负载的旋转转换成电力；齿轮箱，该齿轮箱插入在涡轮的输出轴和发电机的输入轴之间。

在另一实施例中，公开了一种方法，包括：将具有左侧和右侧的波纹管布置在公共框架的左臂和右臂之间；使得第一铰接部件在第一端处与波纹管的左侧旋转地联接；使得第一铰接部件在第二端处与公共框架的左臂旋转地联接；使得第二铰接部件在第一端处与波纹管的右侧旋转地联接；使得第二铰接部件在第二端处与公共框架的右臂旋转地联接；使得第一柔性翅片在内部第一边缘处与第一铰接联接部件的第二端连接；使得第二柔性翅片在内部第二边缘处与第二铰接联接部件的第二端连接；以及使得导管与波纹管流体连通地连接，其中，由流动流体引起的、第一和第二柔性翅片的振荡导致波纹管的膨胀和收缩，以便将流体泵送至导管中。

附图说明

附录和/或附图示例说明了根据本说明书的各种非限制性的、示例的和新颖的方面。

图1表示了在一个实施例中由装配处理来使得柔性翅片形成有持续的应变变形以及所述变形怎样转变成翅片的区域绕翅片纵向轴线的局部旋转。

图2表示了在流动环境中具有与中心芯联接的翅片的系统实施例。

图3表示了在一个实施例中包括翅片、底盘、波纹管或活塞组件以及翅片相位增强组件的部件。

图4表示了装配的图3的部件。

图5表示了在一个实施例中波纹管或活塞组件以及翅片相位增强组件可以怎样与底盘联接。

图6表示了波纹管或活塞组件的一个实例。

图7表示了波纹管或活塞组件的另一实例。

图8表示了在一个实施例中在翅片角度、杠杆臂角度和波纹管或活塞压缩之间的关系。

图9表示了在一个实施例中在具有较长杠杆臂的波纹管实施方式中翅片角度怎样改变杠杆臂角度。

图10表示了在一个实施例中在具有较短杠杆臂的活塞实施方式中翅片角度怎样改变杠杆臂角度。

图11表示了在一个实施例中用于泵实施方式的循环系统。

图12表示了在一个实施例中用于发电实施方式的循环系统。

图13表示了在一个实施例中的泵实施方式的三个示意图和循环系统的流程图。

图14表示了在一个实施例中固定在流动水源中的泵或发电机实施方式。

图15表示了在各种实施例中用于水泵送、水过滤、脱盐、空气压缩和发电的实施方式。

具体实施方式

图1表示了内边缘半径3小于外边缘4半径的拱形柔性片状材料1可以怎样有变形力2的实施方式，该变形力2使得拱形的内半径3相对于拱形的外半径4变直，或者施加多个力2而产生应变、正弦变形5或多个变形5和/或双曲线几何形状。这种双曲线几何形状也可以通过平铺来产生。当利用沿纵向轴线7来自约束元件11的负载6来保持应变状态时，翅片8可以形成为这样，其中，持续变形转化成翅片8的部分绕纵向轴线7的旋转9。当固定在流体流10中时(图2)，流体动力负载可以使得翅片8中的变形5沿流动方向起伏和/或行进。翅片8产生的动力起伏机械作用可以与机构联接，以便执行有用工作，例如泵送、向发电机提供动力等。

本文公开的实施例包括用于利用翅片8的起伏机械作用的方法和机构。在一个实施例中，可以是刚性或半刚性的公共框架或底盘11可以包括两个底盘导轨12和至少一个横杆13(图3)。在一个实施方式中，底盘11可以用作保持负载6的约束元件，该负载6使得翅片8保持在它们的持续变形状态。至少一个泵装置(例如波纹管、活塞、旋转叶片等)例如波纹管或活塞组件14可以与底盘11联接。在一个实施方式中，至少一个翅片相位增强组件15可以与底盘11联接。两个翅片8可以与该至少一个波纹管或活塞组件14和该至少一个翅片相位增强组件15联接(图4)。

图5表示了在一个实施例中一个波纹管或活塞组件14和一个翅片相位增强组件15与底盘11和翅片8联接。翅片相位增强组件15保持两个翅片8的彼此相对旋转，以使得一个翅片8的旋转与另一翅片8的旋转相连。翅片相位增强组件15例如可以包括联接的同步带、联接的齿轮、带、链条等。翅片相位增强组件15例如可以使得翅片8保持彼此异相180度，或者绕底盘11的中心纵向轴线彼此镜像。翅片8之间的这种相位约束在操作中方便翅片8在波纹管或活塞组件14上施加对立负载(图9-10)。

图6表示了在一个实施例中的一个波纹管或活塞组件14，它包括波纹管16、波纹管板17、杠杆臂18和翅片联接叉19或其它用于将翅片8固定在杠杆臂18上的夹具和/或联接部件、以及流体进口/出口20。在一个实施方式中，波纹管或活塞组件14可以有两侧(左右)对称性，以使得在一侧的部件与在另一侧的部件成镜像。例如，在波纹管16的任一侧可以有流体进口/出口20。杠杆臂18可以与底盘导轨12旋转地联接和/或与波纹管板17旋转地联接21(图5-6)。翅片联接叉19可以有一度的旋转自由度22。

图7表示了一个波纹管或活塞组件14，在一个实施例中，通过柔性的中间部件24，在杠杆臂18和翅片联接叉19之间具有附加的自由度23，从而允许翅片8沿它们平行于底盘导轨12的纵向轴线的纵向轴线7而局部运动23。

由流过翅片8的环境流体10引起的、沿翅片8的行进波起伏5使得翅片区域顺序旋转9(图1)。由于两个翅片8的波起伏5可以设置为相对于彼此成相反相，因此翅片的旋转9使得两个翅片8的相邻区域彼此远离或彼此靠近。当波纹管或活塞组件14与翅片8联接时(例如通过翅片联接叉19)，在相应翅片8的联接位置处的翅片旋转9可以导致杠杆臂18对着它们的相应波纹管板17或活塞板25推动，或者拉动而离开它们的相应波纹管板17或活塞板25。在波纹管板17或活塞板25上的这种同步推动或拉动使得波纹管16或活塞26的容积膨胀和收缩，从而将环境流10的流体动力学能量转换成波纹管16或活塞26内的流体运动和压力。

在波纹管16或活塞26内的流体可以通过在波纹管16或活塞26的任一端处的流体进口/出口20而进入或离开，该流体进口/出口例如与管或导管的循环系统27连接。图8表示了翅片旋转角度9怎样与杠杆臂18的旋转相关联，该杠杆臂18的旋转又使得波纹管16或活塞26膨胀或收缩。各波纹管或活塞组件14可以通过循环系统27的管或导管来连接，该管或导管可以是柔性的。

图9是表示翅片8的旋转角度9可以怎样使得波纹管16压缩或膨胀的视图。图10是表示翅片8的旋转角度9可以怎样使得活塞26被压缩或膨胀的视图。在一个实施方式中，具有较短杠杆臂18的活塞26可以用于例如高压、低容量的流体泵送。在另一实施方式中，使用较长杠杆臂18的波纹管16可以用于例如低压、高容量的泵送。为了视觉清楚，图8-10省略了循环系统27的管或导管。

在一个实施方式中，循环系统27的管或导管可以形成开环的回路(图11)，例如用于泵送应用。在另一实施方式中，循环系统27的管或导管可以形成闭环的回路(图12)，例如用于发电。

图11是在一个实施例中的开环泵送回路的示意图，其中，流体在一端处被吸入循环系统27回路的管或导管中，并通过至少一个波纹管或活塞组件14而在另一端处排出。止回阀28连接在波纹管16或活塞26的任一侧的流体进口/出口20处，以便保持流体沿一个方向流动。

图12是在一个实施例中的闭环泵送回路的示意图，其中有止回阀28，以便使得流体流动保持沿一个方向。涡轮29或其它用于将流体流和压力转换成机械轴动力的流体换能器可以布置成与循环系统27流体连通，以便拦截回路中的定向流体流。在一个实施方式中，涡轮可以与齿轮箱30联接，该齿轮箱30可以与电磁发电机31联接，以便发电32。在一个实施方式中，电缆33(例如绝缘电缆)可以使得发电机与电设备、电池、电网等连接。

图13表示了在一个实施例中泵机构的示意四分之三视图、侧视图和俯视图以及泵机构的相应循环系统27的视图。

图14表示了泵或发电机的实施方式，其中，循环系统27的管或导管、波纹管或活塞组件14以及其它部件被包围在罩34中。在一个实施方式中，罩可以包括狭槽开口35，以便允许翅片联接叉19与翅片8连接。对于泵的实施方式，离开导管循环系统27的泵送流体可以通过出口管或导管(可以是柔性的)36而离开，并可以穿过固定在固定基质38(例如河床、桥墩或其它固定物体)上的柔性杆37。在一些实施方式中，柔性杆37可以固定在浮动和/或可运动的基质上，例如车辆侧部。泵送的流体可以通过另一导管39而传递至滨岸、容器或其它目的地。对于发电机实施方式，电力33可以沿导管40通过电线32而离开系统，并可以沿柔性杆37或穿过柔性杆37和沿另一导管41而通向设备、电池、滨岸和/或另一目的地，例如电网。

图15表示了本发明的各种实施方式，用于水泵1501(例如直接到容器、水分配系统等1503)、水过滤1505(例如通过过滤器、净化系统等1507)、脱盐1510(例如通过脱盐和/或蒸馏装置和/或设备1512)、空气压缩1515(例如通过压缩机、泵、压缩空气存储设备等1517)以及发电1520(例如至设备、电池、滨岸和/或另一目的地，例如电网1522)。

为了解决各种问题并提高技术水平，用于利用流体流的能量来发电或泵送流体的设备、方法和系统的整个本申请(包括封面、标题、题头、领域、背景技术、概要、附图说明、具体实施方式、权利要求书、摘要、附图、附录等)通过示例说明而表示了各种实施例，在这些实施例中可以实现所要求保护的创新。本申请的优点和特征只是实施例的代表实例，而不是穷举和/或排他。它们只是为了帮助理解和教导要求保护的原理。应当理解，它们并不代表所有要求保护的创新。因此，这里没有介绍本发明的某些方面。对于本发明的特定部分可能没有提出替代实施例，或者对于一部分可以采用其它未介绍的替代实施例，这并不认为是放弃那些替代实施例。应当理解，很多那些未介绍的实施例包含创新的相同原理，且其它也等效。因此，应当理解，可以采用其它实施例，并可以进行功能、逻辑、操作、组织、结构和/或拓扑的修改，而并不脱离本发明的范围和/或精神。因此，在整个本公开中，所有实例和/或实施例认为是非限制性。还有，不应当相对于本文中未介绍的那些实施例来推断本文中介绍的那些实施例，除非是用于减少空间和重复的目的。例如，应当理解，在附图和/或全文中所述的任何处理步骤和/或特征集的任何组合的逻辑和/或拓扑结构并不局限于固定的操作顺序和/或布置，而是，任何公开的顺序都是示例性，所有等效物(无论顺序怎样)都由本发明考虑。类似的，一些功能适用于创新的一个方面，而不适用于其它方面。另外，本发明包括多种创新，包括一些目前可能未要求保护的创新，并且申请人保留那些目前未要求保护的创新的所有权利，包括要求保护这种创新、提交附加申请、延续、部分延续、分案等的权利。因此，应当理解，本发明的优点、实施例、实例、功能、特征、逻辑、操作、组织、结构、拓扑和/或其它方面并不认为是对如权利要求所确定的本发明的限制，或者是对权利要求的等效物的限制。