气动机械动力源 技术领域 本发明涉及与多种传统应用相结合的由压缩气体供以动力的旋转式气动马达的 新颖的组合。
由压缩气体驱动的旋转式气动马达可应用的传统动力应用示例， 包括但不限于 ： 交通、 电力生产、 工业和商业动力应用、 商业或住宅共发电， 其中， 操作压缩机压缩适合气体 用作用于旋转式气动马达的工作压力源。
本发明通过三个广义实施例进行表现。在第一实施例中， 由压缩气体驱动的旋转 式气动马达以传统方式连接到机械装置， 例如， 汽车变速器， 其中旋转式气动马达 (RPM) 的 扭矩输出直接用于产生被传递的扭矩， 例如， 连接到汽车变速器的 RPM 将扭矩传递到机动 运载工具的牵引轮。
在本发明第二实施例中， RPM 常规地连接到发电机或交流发电机。得到的电力被 常规地使用。
例如， 本发明第二实施例可用于运输场合， 例如， 在铁路机车中， 其中常规柴油机 被替代为由压缩气体驱动的 RPM。 这样的优点在于， 将不需要燃烧化石燃料 ( 在此示例中为 柴油燃料 )， 而且不需要热机 ( 柴油机必须燃烧燃料以产生压缩而使其曲轴转动 )。本发明 的 RPM 不是热机。本发明的优选的第一实施例可通过以下方式例示 ： 将由压缩气体供以动 力的旋转式气动马达 (CGD RPM) 与诸如汽车之类的常规机械移动装置组合， 其中， 压缩气体 被装载在移动装置上随装 (onboard) 的可再装的、 可更换的箱中。除了汽车以外， 移动装置 可为任何常规的运载工具， 包括 ： 公共汽车、 卡车、 重型建筑和运土设备、 越野车辆、 铁路机 车和所有类型的水运工具。
优选实施例的移动装置将具有所有熟知的常规用户控制器， 例如节气门、 制动器 和燃料可用度指示器。在本发明的情况下， 燃料可用度信息将包括剩余的可用于动力的压 缩气体压力的模拟指示。
本发明的优选的第一实施例的移动装置还将具有 ： 常规地包括在汽车运载工具中 的辅助动力系统， 仅为示例地而非限制地， 辅助动力系统例如为 ： 通过 RPM 的动力输出器 (take-off) 的辅助电力产生， RPM 的空调和 / 或制冷动力输出器， 以及动力转向装置和制动 协助可能需要的由 RPM 动力输出器操作的泵。运载工具内部空间加热将通过电力以电方式 实现。
本发明的优选的第一实施例的移动装置还将具有 ： 常规燃料辅助发动机， 电池组， 辅助发电机， 辅助压缩机， 和辅助电动马达。 虽然移动装置将主要通过压缩气体而以气动方 式致动， 不过， 在压缩气体压力已经耗尽的紧急情况下， 规定成操作运载工具。在随装的压 缩气体箱可被再充之前， 可通过随装的电动螺杆式空气压缩机在运载工具上产生辅助压缩 空气。操作螺杆式压缩机的电力可通过随装的锂离子 (Li 离子 ) 电池组、 常规 12 伏汽车电 池中的任意一种或者通过由相对小的随装化石燃料发动机供以动力的随装辅助发电机而 提供。在常规 12 伏电池和锂离子电池组的情况下， 使用常规转换器将 DC 输出转换为 AC 以 驱动螺杆式空气压缩机。
本发明的旋转式气动马达优选地通过储存压力约为 4,000PSI 的压缩氮而运行。 氮比压缩空气更优选， 这是因为其产生时具有相对少的水蒸气。氮将在约 4,000PSI 下从储 存箱通过管路传递到至少一个调节器， 调节器将使氮压力降低到约 90PSI 至约 150PSI 的操 作范围， 而优选地约为 120PSI。本发明的旋转式气动马达将通常被设计为在约 90PSI 至约 150PSI 的气体压力优选范围内操作。
旋转式气动马达并不是新颖的。 旋转式气动马达常见在使用压缩空气作为操作气 体的应用中作为空气工具。 不过， 虽然不是新的， 但在本发明之前的旋转式气动马达并未已 知可安装到常规上需要化石燃料消耗内燃机的动力应用中。 这样的组合是本发明具备新颖 性的重要因素之
而且， 使用压缩空气的明显缺点是， 当压缩大气通常含有湿度时， 不可避免地存在 湿气滞留。如果可能， 则当空气被压缩时应在压缩之前从空气入口将滞留湿气驱除。保持 压缩空气的箱必须频繁清除凝结水。 水蒸气和液态水将干扰旋转式气动马达的操作并使其 内部件过度磨损。 优选地， 在压缩空气线路中包括空气干燥器或除湿器， 其邻近于螺杆式空 气压缩机， 用于从压缩空气中去除水和水蒸气。
在本发明第三实施例中， 采用 RPM 并将其连接到发电机或交流发电机， 用于在大 型工业设施应用中产生 AC 电力。在这种情况下， RPM 由 DC 驱动， DC 在换流器 / 发电机中被 转换为 AC， DC 通过太阳能电池板产生。由于可认为实体设施具有用于储存多个箱的空间， 区别于移动装置中的可用空间， 因而第三实施例是封闭的流体 / 气体系统， 其中， 从 RPM 输 出的低压气体以低压储存在一个或多个箱中， 且所述箱能够处理由于降压转换所致的大的 气体体积。 背景技术 常规的发动机为移动发动机 (locomotor) 供以动力， 例如但非限制性地为 ： 汽车， 卡车， 重型建筑和运土设备， 铁路机车， 和舰船和舟船， 无论大型的还是小型的， 均采用某种 形式的汽油、 柴油或天然气燃料燃烧内燃机以产生动能。
例如， 在汽车中， 化石燃料发动机的动能通常通过旋转曲轴收集并供给到变速器。 汽车驾驶者控制节气门和变速器， 并进而提供用户可控的动力。
基于常规化石燃料的动力系统的大的缺点包括 ： (1) 依赖日益昂贵的非再生性化 石燃料作为主能量源 ； (2) 不可避免地排放二氧化碳作为燃烧副产物 ； 和 (3) 不可避免地大 量浪费热形式的化石燃料化学能 ( 每个热机均具有散热器或某些其它形式的散热装置。不 可避免地被热机散除的热能构成了被消耗燃料内所含原始能量的相当大部分的浪费 )。
例如， 已经估计出， 对于最大效率的汽油机而言， 汽油中储存的化学能仅有约 22％ 转化为曲轴动能。其余 78％的能量被浪费， 主要以热形式被浪费。
无法从内燃机中快速去除废热， 将由于失灵 (seize-up) 而导致过热和发动机破 坏。 这样， 内燃机在机械上需要装配散热器。 不仅散热器散除了大概 78％的汽油能量， 而且 散热器系统本身及其冷却剂泵、 带和滑轮对于发动机曲轴具有其自身的能量需求。这需要 发动机具有足够大的能力， 以运行冷却剂系统而同时仍然将足够动能供应到运载工具变速 器。
柴油机已知可实现的最大热效率在 45％的范围内 ( 即， 45％的柴油燃料化学能被
转化为可用动能 )。
相比之下， 本发明根本不采用热机为移动发动机供以动力。 作为替代地， 本发明采 用旋转式扭矩气动发动机， 其中， 通过将压缩气体 ( 优选为预压缩氮 ) 供应提供到气动发动 机而产生扭矩。 压缩气体进入发动机的旋转室， 其中允许压缩气体迫使气动发动机旋转。 所 述旋转以常规方式通过驱动轴获取， 其中驱动轴以常规方式连接到所期望的任何应用。例 如， 驱动轴可连接到常规移动发动机机动运载工具 ( 或轿车 ) 的变速器和传动系。
本发明的新颖特征包括用于动力的能量源来自于机械移动装置上且形式为一个 或多个压缩氮气罐。 势能已通过压缩而储存在罐中， 这是因为， 首先需要能量将氮气压缩至 罐中。
将固有于压缩气体中的储存的能量转化为可用动能简单地需要通过管路或导管 将压缩气体从其储存罐中传出， 将其供给到一个或多个压力调节器以将其压力降至适合于 供给到旋转式气动能量， 并最终允许调节后且由此降压后的压缩气体驱动气动发动机。在 本发明的旋转式气动发动机中， 为了得到所需动力， 不需要发热， 这不同于内燃机中不可避 免的发热和热浪费。
本发明的另外的新颖特征在于， 与常规的化石燃料供以动力的机械移动装置的相 当多的碳排放相比， 采用本发明用于动力则完全不产生或产生极少的碳排放。所称的碳排 放是术语， 用于描述将二氧化碳排出至大气中的机器或过程。压缩用于为本发明旋转式气 动马达供以动力的预压缩氮所需的能量可至少部分地通过各种再生性能源而获得。这样， 产生本发明所需压缩气体可能间接导致碳排放， 但这些碳排放将少于由于常规化石燃料运 输所致的碳排放。 用于本发明的优选的氮气包括 78％的地球大气， 其无毒无害。其不能燃烧或支持 燃烧， 且在化学上稳定使得其几乎呈惰性。 氮从大气中无尽地使用， 并当其从本发明的旋转 式气动马达排放而一旦解除压缩时将直接返回到大气。
以这种方式， 将不会由于使用本发明而使地球大气受到热的或化学的干扰或污 染。这是因为， 由于从常规的内燃机中倾排废热和二氧化碳， 使大气受到热干扰和化学污 染。这样， 本发明针对基于化石燃料的运输提供中间 (immediate) 的大规模可替代方案， 而 同时通过基本上停止由于运输行为将二氧化碳加入大气而解决全球变暖。
然而， 运输不是仅有的可将内燃烧或化石燃料燃烧替代为由压缩气体驱动的旋转 式气动马达的领域。 针对于改进能量效率、 基本上消除二氧化碳排放、 减少能量成本而符合 要求的， 还包括这样的领域 ： 通过由旋转式气动马达现场操作的独立定位发电机而进行的 结构加热、 通风和空调 (HVAC)。这样， 本发明采取前述第三实施例的形式， 由此， 封闭的氮 气系统以及结果实现的电力从而可用于通常由大型电力设施服务的所有常规能量需要。 例 如， 大型 AC 输出可用于工业空间加热、 电热烹调， 等等。本发明的第三实施例能够应用于任 何规模的 HVAC， 例如非限制性地包括 ： 住宅、 商业、 工业和政府 AC 动力产生需要。所有的工 业应用热能和动能需要， 可使用本发明的第一、 第二和第三实施例或者它们的任意组合而 得以满足。
发明目的
本发明的目的在于， 提供一种机械移动装置， 其使用旋转式气动发动机作为动力。
本发明的目的在于， 使用随装储存的压缩气体 ( 即， N2) 作为用于旋转式气动发动
机的力流体。
本发明的进一步目的在于， 提供一种机械移动装置， 其不需要热机用于主动力。
本发明的进一步目的在于， 提供一种旋转式气动发动机， 其可使用压缩氮或压缩 空气产生动力。
本发明的目的在于， 提供一种运输移动动力源， 其基本上避免使用化石燃料作为 主动力能量源。
本发明的目的在于， 提供一种机械移动装置， 其在工作过程中不会将热加到大气 中。
本发明的目的在于， 提供一种机械移动装置， 其在工作过程中不会将化石燃料燃 烧产物加到大气中。
本发明的目的在于， 提供一种机械移动装置， 其在工作过程中不会加剧大气烟雾。
本发明的目的在于， 提供一种机械移动装置， 其在个人和商用场合和水路运输中 具有显著的整体能耗减少。
本发明的目的在于， 提供一种机械移动装置， 其在工作过程中不会以热形式浪费 显著部分的能耗。
本发明的目的在于， 提供一种动力源， 用于不涉及使用热机的大多数非飞行应用。
本发明的目的在于， 提供一种在大多数非飞行应用中减少由于化石燃料燃烧所致 的温室气体排放的方法。
本发明的目的在于， 提供一种动力源， 其将允许显著减少对化石燃料的依赖性。
本发明的目的在于， 提供一种允许显著减少对化石燃料依赖性的方法。
本发明的目的在于， 提供一种非热机的动力源， 用于替代例如这样的固定应用 ： 化 石燃料消耗固定发动机， 包括常规的蒸汽涡轮工业规模发电设施， 其中， 化石燃料作为能量 源燃烧， 用于在驱动发电机时所需的动力。
本发明的目的在于， 提供一种非热机的动力源， 用于新颖的固定应用， 例如， 住宅 和小型至中型规模的分散式共发电， 以提供用于单独精确定位增强低成本发电的方式， 以 允许消除诸如住宅家庭烹调、 加热和空调之类应用中的化石燃料， 并允许用于商业、 政府和 工业耗电的低成本电能， 用于诸如加热、 通风和空调之类的常规应用和其它任何常规电能 应用， 所有应用均消除了化石燃料消耗固定发动机， 并且所有应用均消除了以化石燃料作 为用于驱动发电机所需动力的能量源进行燃烧而产生的电能的消耗。
本发明的目的在于， 提供一种用于基本上减少对化石燃料的依赖性的方法， 用于 新颖的固定应用， 例如住宅和小型至中型规模的分散式共发电， 以提供用于单独精确定位 增强低成本发电的方式， 以允许消除诸如住宅家庭烹调、 加热和空调之类应用中的化石燃 料， 并允许用于商业、 政府和工业耗电的低成本电能， 用于诸如加热、 通风和空调之类的常 规应用和其它任何常规电能应用， 所有应用均消除了化石燃料消耗固定发动机， 并且所有 应用均消除了以化石燃料作为用于驱动发电机所需动力的能量源进行燃烧而产生的电能 的消耗。
本发明的目的在于， 提供一种非热机， 用于驱动 AC 发电机， 以与至少一组太阳能 电池板协作或者在太阳能电池板不能提供足够动力以满足系统上的电负载时与风力涡轮 机协作以输出 AC。在太阳能电池板产生的电能量超过设施的即时动力输出需要时， 过剩的AC 用于驱动压缩机以压缩氮气， 和 / 或转换为 DC 以对电池充电。 当太阳能电池板电输出降 至低于即时负载需要时， 压缩气体用于驱动 RPM 以产生 AC 用于补偿或者用于替代由所述板 产生的 AC。
当然， 由 RPM 通过压缩气体产生的 AC 可通过储存于电池中的 DC 在由换流器 / 发 电机或者其它有效的 DC-AC 转换器转换为 AC 之后进行补充。由于实体设施可认为具有用 于储存多个箱的空间 ( 区别于可用于移动装置的空间 )， 因而第三实施例是封闭的流体 / 气 体系统， 其中， 从 RPM 输出的低压氮气以低压储存在一个或多个箱中， 所述箱能够处理由于 降压转换所致的大的气体体积。AC 产生设施或系统不限于使用太阳能电池板供以动力， 而 是可替代地可通过风力涡轮、 水动涡轮 ( 例如水轮 )、 或任何组合供以动力， 这取决于在设 施所处地理位置处的可用天然能源。
与本发明一致， 其它目的对于装置的用户和本领域技术人员而言将显见， 由此， 本 发明不限于在此列举的目标， 所进行的描述并未穷举且仅为示例性的描述。 发明内容
与这些目的和其它变得明显的目的一致， 本发明优选地涉及可作为示例的但不限 于以下的第一实施例， 其中， 常规的汽车适于在公路上行驶并由旋转式气动发动机供以动 力， 旋转式气动发动机通过在运载工具上随装的一个或多个高压箱中储存的压力调节后的 压缩气体驱动。 优选的第一实施例所表现的其它示例可包括在过去由化石燃料热机供以动力的 任何类型机器， 例如但不限于 ： 卡车， 公共汽车， 重型建筑设施， 运土机械， 舟船， 舰船， 和所 有类型水运工具， 和几乎任何的陆路或水路可用机械， 在适合时包括固定设备， 例如柴油供 以动力的发电机。
优选地， 压缩气体是氮， 其处于约 4,000PSI 压力下。
压缩气体储存器可采用任何形式， 例如随装的箱的形状， 以匹配任何汽车主 体 腔。 优 选 地， 随 装 箱 是 小 的 可 去 除 的 可 更 换 的 筒， 其可由汽车驾驶者或再充电站 (recharge-station) 服务人员方便地处理和更换。
本发明的旋转式气动发动机可将常规旋转动力供应到曲轴。 曲轴优选地装配到常 规的汽车变速器， 使得动力以常规方式传送到运载工具的轮。
在压缩氮气随装供应在运载工具操作过程中耗尽的情况下， 提供可替代方式的动 力。 由于旋转式气动发动机通过压缩气体驱动， 因而在汽车上随装提供辅助螺杆式压缩机， 以产生压缩空气。 进而， 螺杆式压缩机可通过随装锂离子电池组、 通过在汽车中常见的常规 12 伏 DC 电池 ( 二者均可接合到 AC 转换器 )、 或通过连接到辅助发电机的相对小的辅助化 石燃料发动机而被供电。在辅助化石燃料发电机的情况下， 将需要相对小的化石燃料辅助 燃料箱。
在压缩氮加压气体在可补充之前已经耗尽的情况下， 手动或自动地启动螺杆式压 缩机压缩空气。得到压缩空气通过至少一个压力调节器被供给到气动发动机， 作为主压缩 氮的替代物。本发明的旋转式气动发动机将基于压缩空气而运行， 不过压缩氮气是优选气 体。
压缩氮是优选的主动力源， 这是因为其相对比较干燥， 即， 没有水蒸气。非优选的
压缩气体是空气， 这是因为压缩大气空气不可避免地在压缩过程中引入水蒸气。水蒸气凝 结将在储存箱中发生， 得到的液态水凝结物将需要周期性清除。 因此， 除湿器或干燥器被包 括在从辅助螺杆式压缩机至 RPM 的压缩空气线路中， 优选地邻近于压缩机， 以从压缩空气 中去除尽可能多的水蒸气和凝结水。
旋转式气动马达将具有在化石燃料发动机中常见的常规动力输出器， 用于操作常 规的交流发电机或发电机， 用于操作用于动力转向装置、 动力制动、 空调的泵、 和所有其它 常规的周边机械。
在本发明的优选的第一实施例中， 旋转式气动马达被直接附接到常规汽车变速 器， 使得旋转式气动马达以与常规化石燃料机动发动机相同的机械方式将扭矩提供到变速 器。
在非优选的第二实施例所表现的汽车示例中， 旋转式气动马达可通过常规方式连 接到发电机， 其中， 机动运载工具的动力由至少一个电动马达提供。 最熟知的示例是电动汽 车或混合动力汽车。
此示例中的该至少一个电动马达可通过常规方式连接到汽车变速器， 或者可包括 以不同机动布置连接到运载工具牵引轮的多个电动马达。 在使用电动马达来为运载工具牵引轮供以动力时将实现的另外的优点在于， 可使 用动态再生性制动形式的进一步能量储备， 其中， 用户应用制动器使得一个或多个电动马 达作为发电机操作， 从而将电流供给到随装锂离子电池组， 并由此在制动过程中获取至少 一部分的运载工具动能作为电能，
比较而言， 在常见的常规布置中， 化石燃料供以动力的运载工具不具有动态制动， 其中常规制动系统在制动过程中简单地以热形式散除运载工具的动能。在一个实施例中， 本发明包括气动移动运输装置。该气动移动运输装置包括壳体， 至少一个旋转式气动马达 (RPM) 和装容在所述壳体内的用户可更换、 用户可再充的储存容器中的压缩氮气供应器， 其 中所述马达通过导管与所述气体储存容器流体连通的连接， 所述导管具有至少一个气体压 力调节器 ； 至少一个辅助化石燃料发动机， 其具有用于为所述辅助发动机供能的化石燃料 供应器 ； 至少一个发电装置， 其连接到所述辅助发动机， 用于产生电流 ； 和至少一个电动螺 杆式压缩机， 其与所述至少一个发电装置电连接用以产生压缩空气。
所述压缩机与具有至少一个气体压力调节器的所述导管流体连通， 用于将所述压 缩空气供应到所述 RPM ； 并包括除湿器， 用于从所述导管中去除液态和蒸气水。所述至少一 个旋转式气动发动机曲轴连接到常规的汽车变速器， 用于将动力供给到所述移动运输装置 的常规牵引轮。
优选地， 所述运输装置包括 ： 所述至少一个旋转式气动发动机曲轴连接到作为主 能量源发电的发电机， 其中常规的汽车变速器曲轴连接到电动马达， 所述电动马达与所述 发电机电连接， 所述常规的汽车变速器用于在用户控制需求下将扭矩供给到所述移动运输 装置的常规牵引轮。
优选地， 所述运输装置包括 ： 所述电动马达包括马达发电机， 用于动态地制动获取 运载工具动能而作为电能， 所述移动运输装置包括连接到所述用于获取由所述移动运输装 置进行所述动态制动所得到电能的所述马达发电机的以下之一 ： 至少一组锂离子电池， 一 个或多个常规 12 伏电池， 或至少一组锂离子电池和一个或多个常规 12 伏电池。
在另一实施例中， 本发明包括发电动力设施。该设施包括 ： 成组的太阳能电池板， 用于产生直流电 (DC) ； DC/AC 转换器， 用于将 DC 转换为交流电 (AC)， 并通过动力设施输出 端口输出一部分所述 AC 以供应 AC 负载 ； 成组的电储存单元， 其电连接到太阳能电池板， 所 述太阳能电池板受控以接收和储存 DC 动力， 并再次受控以输出所储存的 DC 动力， 用于在特 定条件下由所述 DC/AC 转换器转换和输出 ； 螺杆式气体压缩机， 其连接到所述 DC/AC 转换器 并由所述 DC/AC 转换器供以动力， 用于将氮气压缩到高压状态 ； 和高压箱， 其通过高压导管 连接到所述压缩机以接收所述高压氮气。
旋转式气动马达 (RPM) 通过所述高压导管连接到所述压缩机和高压箱 ； 交流发电 机 / 发电机通过驱动轴机械连接到所述 RPM 以当由所述压缩氮气驱动所述 RPM 时产生 AC ； 低压箱在一端通过低压导管与所述 RPM 流体连通并在其另一端通过低压导管与所述压缩 机流体连通， 从而形成闭环而用于压缩 / 解除压缩作为用于驱动所述 RPM 的能量载体的所 述氮气， 从而通过设置到所述设施输出端口的所述交流发电机产生和输出 AC。所述螺杆式 气体压缩机操作以将所述氮气压缩至约 4000PSI。
优选地， 所述发电设施进一步包括 ： 风力涡轮发电机 ； 和 AC/DC 转换器。所述风力 涡轮发电机电连接到所述输出端口、 所述 AC/DC 转换器的输入端口、 和所述压缩机。所述 AC/DC 转换器电连接到所述电储存单元。 本发明进一步包括 ： 包括所述发电设施的一种住宅应急发电系统 ； 包括所述发电 设施的一种商业应急发电系统 ； 和包括权利要求 37 中所述发电设施的一种工业规模固定 设施发电系统。
为此， 优选地， 所述发电设施进一步包括 ： 至少一组锂离子电池， 其通过 DC/AC 转 换器与所述螺杆式压缩机电连接， 用于增强可用于为所述螺杆式压缩机供以动力的电力 ； 和 / 或至少一个 12 伏常规电池， 其通过 DC/AC 转换器与所述螺杆式压缩机电连接， 用于增 强可用于为所述螺杆式压缩机供以动力的电力。
附图说明 本发明可结合附图被最好地理解。 应注意， 本发明不限于图中所示的具体实施例。
图 1 显示出适用于常规汽车的本发明第一实施例的布置的示意图。仅显示出旋转 式气动马达和动力系统， 用于储存压缩气体形式的能量并可控地将能量释放到旋转式气动 马达以产生将被供应到常规自动变速器的扭矩。
图 2 显示出适用于常规汽车的本发明第二实施例的布置的示意图。这应被认为是 电动汽车或混合动力汽车， 并还应被认为是在柴油电力铁路机车中常见的布置， 在此， 常规 柴油机被替代为本发明的新颖的旋转式气动马达。图 2 与图 1 的不同之处在于， 在旋转式 气动马达与常规汽车自动变速器之间插置发电机与电动马达的组合。
图 3 是适用于将太阳能和 / 或风能转化为电力的电力设施中的本发明第三实施例 的系统平面示意图。
附图标记清单 ：
对于图 1， 第一实施例 ：
10 旋转式气动马达。
15 主旋转动力 ( 扭矩 ) 传输轴。
25 常规汽车自动变速器。
30 常规汽车轴， 用于将动力从自动变速器传递到变速箱。
35 常规汽车变速箱。
40 常规汽车牵引轮。
50 低压 ( 压力调节后的 ) 压缩气体供给线路， 其输入到旋转式气动马达 10。
60 用户节气门控制器， 用于使用户控制被供给到旋转式气动马达 10 的气压。
70 气体压力调节器， 用于调节高压压缩气体并将其作为调节后的低压压缩气体提 供到下游管线的旋转式气动马达 10。
72 供给线路， 用于将高压压缩气体从歧管 80 传导至压力调节器 70。
80 歧管， 用于将高压压缩气体从储存箱 90 传导至高压气体供给线路 72 中。
90 可更换的、 可再充的储存箱， 用于高压压缩气体。
110 常规的汽车动力输出器， 用于如下常规应用 ： 操作辅助发电机或交流发电机， 操作用于动力转向装置和动力制动、 空气调节压缩机的泵等。
120 电动螺杆式压缩机， 其产生压缩空气， 压缩空气通过压缩空气线路 190 供给至 压缩空气调节器 180， 并且进入用于当箱 90 中的压缩气体已耗尽时将压缩空气传输到旋转 式气动马达 10 的供给线路 170。
130 辅助发电机， 其通过电连接部 150 连接到螺杆式压缩机 120 并连接到锂离子电 池组 160， 用于将电力分别供给到 120 和 160 或者可替代地用于将电力每次供给到其中之 一。
140 辅助化石燃料发动机， 其连接到辅助发电机 130， 用于根据需求产生待供给到 螺杆式压缩机 120 和 / 或锂离子电池组 160 中的一个或所有的电力。
150 电互相连接部， 其互相连接在螺杆式压缩机 120、 发电机 130 和锂离子电池组 160 之间。
155 辅助化石燃料箱， 其用于辅助发动机 140。
160 锂离子电池组， 其电连接到至少一个发电机 ( 未示出 )， 发电机通过动力输出 器 110 操作以使电池组 160 保持在满充电的正常状态。电池组 160 还电连接到辅助发电机 130， 使得电池组 160 也可通过发电机 130 充电 ； 电池组 160 还电连接到螺杆式压缩机 120， 使得压缩机 120 可在短时间内通过电池组 160 供以动力。
162DC 至 AC 转换器。
164 常规的 12 伏电池， 其可为铅酸凝胶 (lead acid of gel)。
170 压缩空气线路， 其将调节之后的压缩空气从调节器 180 传导至旋转式气动马 达 10。
180 压缩空气调节器， 用于调节通过螺杆式压缩机 120 产生的压缩空气的压力。
185 除湿器， 用于从压缩气体线路中去除水和水蒸气。
190 压缩空气气体线路， 其通向空气调节器 180。
对于图 2， 第二实施例 ：
210 旋转式气动马达
215 主旋转动力 ( 扭矩 ) 传输轴
223 主发电机224 主牵引电动马达 225 主汽车自动变速器 226 电连接部， 其处于主发电机 223 与主电动马达 224 之间。 227 副旋转动力 ( 扭矩 ) 传输轴， 其处于主电动马达 224 与汽车自动变速器 225 之间。 230 常规的汽车轴， 其将动力从自动变速器传递到变速箱。
235 常规的汽车变速箱
240 常规的汽车牵引轮
250 低压 ( 压力调节之后 ) 的压缩气体供给线路， 其输入到旋转式气动马达 210。
260 用户节气门控制器， 用于使用户控制被供给到旋转式气动马达 210 的气压。
270 气体压力调节器， 用于调节高压压缩气体并将其作为调节后的低压压缩气体 提供到下游管线的旋转式气动马达 210。
272 供给线路， 用于将高压压缩气体从歧管 280 传导至压力调节器 270。
280 歧管， 用于将高压压缩气体从储存箱 290 传导至高压气体供给线路 272 中。
290 可更换的、 可再充的储存箱， 用于高压压缩气体。
310 常规的汽车动力输出器， 用于如下常规应用 ： 操作辅助发电机或交流发电机， 操作用于动力转向装置和动力制动、 空气调节压缩机的泵等。
320 电动螺杆式压缩机， 其产生压缩空气， 压缩空气通过压缩空气线路 390 供给至 压缩空气调节器 380， 并且进入用于在箱 390 中的压缩气体已耗尽时将压缩空气传输到旋 转式气动马达 210 的供给线路 370。
330 辅助发电机， 其通过电连接部 150 连接到螺杆式压缩机 120 并连接到锂离子电 池组 160， 用于将电力分别供给到 120 和 160 或者可替代地用于将电力每次供给到其中之 一。
340 辅助化石燃料发动机， 其连接到辅助发电机 330， 用于根据需求产生待供给到 螺杆式压缩机 320 和 / 或锂离子电池组 360 中的至少一个或所有的电力。
350 电互相连接部， 其互相连接在螺杆式压缩机 320、 发电机 330 和锂离子电池组 360 之间。
355 辅助化石燃料箱， 其用于辅助发动机 340。
360 锂离子电池组， 其电连接到至少一个发电机 ( 未示出 )， 发电机通过动力输出 器 310 操作以使电池组 360 保持在满充电的正常状态。电池组 360 还电连接到辅助发电机 330， 使得电池组 360 也可通过发电机 330 充电。电池组 360 还电连接到螺杆式压缩机 320， 使得压缩机 320 可在短时间内通过电池组 360 供以动力。
362DC 至 AC 转换器。
364 常规的 12 伏电池， 其可为铅酸凝胶。
370 压缩空气线路， 其将调节之后的压缩空气从调节器 380 传导至旋转式气动马 达 210。
380 压缩空气调节器， 用于调节通过螺杆式压缩机 320 产生的压缩空气的压力。
385 除湿器， 用于从压缩气体线路中去除水和水蒸气。
390 压缩空气气体线路， 其通向空气调节器 180。
对于图 3， 第三实施例 ： 发电设施 (plant) 太阳能电池板 风力发电机 AC/DC 转换器 电储存单元 DC/AC 转换器 输出端口 压缩机 高压导管 高压箱 RPM 交流发电机 / 发电机 低压导管 低压箱具体实施方式 与本发明的目的一致， 本发明通过将旋转式气动马达与迄今为止所有形式的化石 燃料燃烧非飞行机械动力应用相结合而提供新颖的机械动力源。虽然本发明的布置已知 用于驱动动力工具， 不过， 本发明的新颖组合尚未应用于较大型和较重型的应用 ( 例如， 运 输 )， 主工业规模发电和较小规模建筑动力应用 ( 例如， 住宅、 商业、 工业和政府的加热、 通 风和空调 )、 以及针对常规应用 ( 例如， 家用电或商用电， 空间加热， 烹调， 等等 ) 而现场使用 的散布式的小型至中型规模的发电。
本发明的进一步新颖之处在于， 使用干燥的压缩气体 ( 优选地为氮 ) 的箱作为动 力主源和替代源， 用于在工业太阳能驱动或风力驱动电力设施中产生 AC。空气工具已知使 用来自箱的压缩空气， 但箱不是用于工具的高压主动力源。用于空气工具的压缩空气供应 典型地需要通过电驱动压缩机而周期性地补充被消耗的箱空气压力。
作为替代地， 本发明使用具有气体压力调节器的高压、 可再充、 可更换的箱为旋转 式气动马达供应氮气， 其可以不同于气动工具中常见的布置。
预计作为动力源的压缩氮随其逐渐成熟而将更多地根据需求使用。预计， 传输和 运输高压压缩氮的便利方法， 例如， 与化石燃料汽车填充站具有相同方式的分布汽车再充 电站， 具有广泛的分布。 压缩氮气可通过管线而长距离运输， 并且可通过管路传送到建筑地 点， 例如， 住宅， 商用地点， 政府和工业设施， 其方式与天然气现在供应到许多这种地点的方 式相同。
使用压缩氮驱动旋转式气动马达的重要优点在于压缩气体的能量本身为能量源， 这不同于天然气不以其压力作为能量源而是以其在燃烧时将释放出的分子化学能作为能 量源。
不同于化石燃料燃烧 ( 天然气作为其中的重要示例 ) 的是， 使用压缩氮作为机械 能量源不涉及以任何方式的燃烧发热。由于这一重要事实， 使用压缩氮在能量效率上优于
最佳的化石燃料动力应用， 这是因为， 无论在内燃机 ( 例如汽油机或柴油机 ) 或是在外部燃 烧情况 ( 例如在用于空间加热的炉中 ) 中发生化石燃料燃烧， 均会存在必然的大量能量浪 费， 其形式为释放到大气中的热。
使用压缩气体 ( 例如氮 ) 不需这样浪费能量。而是氮由于其压缩而储存的能量通 过旋转式气动马达的驱动轴的扭矩供给而直接转化 ( 没有热步骤 ) 为机械能。
旋转式气动马达进而可容易地为不同规格尺寸的发电机供以动力以通过电方式 执行几乎任何工作。这样， 独立住宅空间可被电加热， 而不需要燃烧。大型远洋船舶可由 电动马达供以动力， 电动马达通过来自旋转式气动马达的大量电力被驱动 ( 通过电驱动推 进器驱动大型舰船是已知的， 除此以外， 与本发明的不同之处在于， 水路电力来自柴油发电 机 )。
所述提出发明的氮气的使用对于环境是安全的， 这是因为， 氮构成地球大气的 78％。根据本发明， 从大气空气或其它源生产氮、 压缩氮和释放氮， 将不会向大气中排放原 本不存在于其中的物质。 本发明因而消除了来自广泛多种动力应用中的温室气体化石燃料 排放， 由此快速且显著解决全球变暖问题。
本发明的有利的经济可行性将缘于以下事实 ： 其将会快速减少用户对日益稀缺的 化石燃料的依赖性， 并通过在将能量转化为动态形式时不需要热步骤而针对化石燃料实现 大的能量效率改进。效率增大转化为成本降低。成本降低转化为经济效益。 当然， 本发明的重要用途将是运输。 在轿车、 卡车、 公共汽车、 重型设备和铁路机车 中消除化石燃料燃烧热机， 将会立刻减少运输燃料的成本， 并由此减少运输本身的成本。 如 在本发明中那样消除化石燃料转化为将非再生性能量源替代为清洁的可无限再生的非核 能量源。
本发明的另一重要应用将在于 ： 工业规模动力设施发电。其中， 燃烧煤、 油或天然 气的蒸汽涡轮设施可被替代为工业规模的旋转式气动马达而执行常规发电机的旋转工作。 除了能量效率改进优点和电成本降低， 间接的但重要的优点在于， 化石燃料的烟囱 ( 特别 是燃烧煤时 ) 及其伴随的大气排放可被快速替代。
如前文中对第三实施例的描述中所述， 氮可保持在闭环系统中， 其中的空间可用 于箱， 所述箱能够保持处于解除压缩状态下的大体积氮气。
发电动力设施包括 ： 成组的太阳能电池板， 用于产生直流电 (DC) ； 和 DC/AC 转换 器， 用于将 DC 转换为交流电 (AC)， 并通过动力设施输出端口输出一部分所述 AC 以供应 AC 负载。成组的电储存单元电连接到太阳能电池板， 所述太阳能电池板受控以接收和储存 DC 动力， 并受控以输出所储存的 DC 动力， 用于在特定条件下通过 DC/AC 转换器进行转换和输 出。螺杆式气体压缩机连接到 DC/AC 转换器并由 DC/AC 转换器供以动力， 用于将氮气压缩 到高压状态， 以形成高压氮气储存。旋转式气动马达 (RPM) 连接到所述压缩机和高压气体， 并通过高压氮驱动交流发电机 / 发电机， 以产生 AC。RPM 输出低压氮， 低压氮沿环路回到螺 杆式压缩机。
附图的详细描述
图 1 显示出适用于常规汽车的本发明第一实施例的布置的示意图。仅显示出旋转 式气动马达和动力系统， 用于储存压缩气体形式的能量并可控地将能量释放到旋转式气动 马达以产生将被供应到常规自动变速器的扭矩。
旋转式气动马达 10 由通过供给线路 50 供给的压力调节后的压缩气体驱动， 或者 可替代地由通过供给线路 170 供给的压力调节后的压缩空气驱动。马达 10 通过扭矩轴 15 连接到汽车自动变速器 25， 而来自轴 15 的动力输出器 110 为动力转向泵、 辅助交流发电机、 空调压缩机、 以及所有其它的常规辅助汽车机械动力需求提供辅助动力。
自动变速器 25 以常规方式通过轴 30 连接到常规变速箱 35， 以将扭矩传递到常规 的运载工具牵引轮 40。用于旋转式气动马达 10 的驱动能量主源是压缩气体 ( 优选地为 氮 )， 压缩气体以约 4,000PSI 的压力储存在高压箱 90 中并通过歧管 80 和高压导管 72 传输 到调节器 70。进而， 调节器 70 将气体压力降低到约 90 至约 150PSI， 并通过线路 50 将其供 给到马达 10。箱 90 可方便地更换并可方便地再充。
如果来自箱 90 的主压力源在可方便到达再充站之前耗尽， 则旋转式气动马达 10 可基于压缩空气 ( 替代压缩氮 ) 而容易地运行。这样， 提供一种采用压缩空气的替代系统。 电驱动螺杆式压缩机 120 可通过线路 190 将压缩空气提供到压缩空气调节器 180。在压缩 机 120 与空气调节器 180 之间插有调湿器或空气干燥器 185。调湿器或空气干燥器 185 从 压缩空气中去除水蒸气， 该过程使得任何凝结水蒸发并从线路中收回。干燥的压缩空气用 于以约 90 至约 150PSI 的压力通过线路 170 传输到旋转式气动马达。分离的压缩气体供给 50 和 170 可通过歧管 ( 未示出 ) 组合为单一的气体入口。
螺杆式压缩机 120 将从三种源中的任意一种接收电能 ： 由辅助化石燃料发动机 140 及其伴随的化石燃料箱 155 驱动的发电机 130 ； 锂离子电池组 160 ； 和 12 伏电池或 12 伏电池组 164。12 伏电池 164 和锂离子电池 160 均将其 DC 电流供给到 DC-AC 转换器或者 换流器 / 充电器 162 以驱动螺杆式压缩机 120。
锂离子电池组 160 和 12 伏电池易于在旋转式气动马达 10 的正常的主动力操作过 程中通过用于驱动辅助发电机 ( 未示出 ) 的动力输出器 110 而保持充电。不过， 当主氮气 压力已耗尽时， 螺杆式压缩机 120 可通过由电池组 160 供应的电能操作， 而同时电池组 160 也接收来自辅助发电机 130 的充电。对此， 发电机还可用于在需要时使 12 伏电池 164 保持 充电。
以这种方式， 代表本发明的优选的第一实施例的汽车应用显示为具有化石燃料供 以动力的压缩气体应急源， 用于旋转式气动马达连续操作。
图 2 显示出也如同图 1 那样适用于常规汽车的本发明第二实施例的布置的示意 图。不过， 图 2 的布置可被认为是电动汽车或混合动力汽车， 并还可被认为是在柴油电力铁 路机车中常见的布置， 在此， 常规柴油机被替代为本发明的新颖的旋转式气动马达。
图 2 除了在旋转式气动马达与常规汽车自动变速器之间插置发电机与电动马达 的组合之外与图 1 相同。
旋转式气动马达 210 由通过供给线路 250 供给的压力调节后的压缩气体驱动， 或 者可替代地由通过供给线路 370 供给的压力调节后的压缩空气驱动。马达 210 通过扭矩轴 215 连接到发电机 223， 发电机 223 进而通过电连接部 226 电连接到主电动马达 224。马达 224 通过常规连接部 227 连接到汽车自动变速器 225， 而来自轴 215 的动力输出器 310 为动 力转向泵、 辅助交流发电机、 空调压缩机、 以及所有其它的常规辅助汽车机械动力需求提供 辅助动力。
自动变速器 225 以常规方式通过轴 230 连接到常规变速箱 235， 以将扭矩传递到常规的运载工具牵引轮 240。
用于旋转式气动马达 210 的驱动能量主源是压缩气体 ( 其优选地为氮 )， 压缩气 体以约 4,000PSI 的压力储存在高压箱 290 中并通过歧管 280 和高压导管 272 传输到调节 器 270。进而， 调节器 270 将气体压力降低到约 90 至约 150PSI， 并通过线路 250 将其供给 到马达 210。箱 290 可方便地更换并可方便地再充。
如果来自箱 290 的主压力源在可方便到达再充站之前耗尽， 则旋转式气动马达 210 可基于压缩空气替代压缩氮而容易地运行。这样， 提供一种采用压缩空气的替代系统。 电驱动螺杆式压缩机 320 可经由线路 390 通过除湿器 385 将压缩空气提供到压缩空气调节 器 380， 从而以约 90 至约 150PSI 的压力通过线路 370 传输到旋转式气动马达 210。分离的 压缩气体供给 250 和 370 可通过歧管 ( 未示出 ) 组合为单一的气体入口。
螺杆式压缩机 320 将从三种源中的任意一种接收电能 ： 由辅助化石燃料发动机 340 及其伴随的化石燃料箱 355 驱动的发电机 330 ； 锂离子电池组 360 ； 或 12 伏电池或电池 组 364。锂离子电池 360 和 12 伏电池 364 均提供 DC， DC 在 DC/AC 转换器或者换流器 / 充 电器 362 中转换为 AC。锂离子电池组 360 和常规的 12 伏电池 364 在旋转式气动马达 210 的正常的主动力操作过程中通过用于驱动辅助发电机 ( 未示出 ) 的动力输出器 310 而保持 充电。不过， 当主氮压力已耗尽时， 螺杆式压缩机 320 可通过由电池组 360 和 12 伏电池 163 或辅助发电机 330 供应的电能操作。
以这种方式， 代表本发明的优选的第二实施例的汽车应用显示为具有化石燃料供 以动力的压缩气体应急源， 用于旋转式气动马达连续操作。
图 3 是适用于电力设施 400 中的本发明第三实施例的系统平面示意图。所述动力 设施将太阳能和 / 或风能转化为电力。其中包括创造性的非热发动机， 用于驱动发电机产 生 AC 电力以补充或替代由太阳能电池板和 / 或风力发电机产生的电力。在太阳能电池板 产生的电能量超过所述设施的即时动力需要的时段中， 过剩的电能用于驱动压缩机以压缩 氮气和 / 或对电池充电。当太阳能电池板的电输出降低至低于即时负载需要时， 压缩气体 用于驱动 RPM 产生 AC 进行补偿或用于替代由太阳能电池板产生的 AC。
当然， 由 RPM 通过压缩气体产生的 AC 可通过储存于电池中的 DC 当由换流器 / 发 电机或者其它有效的 DC-AC 转换器转换为 AC 之后进行补充。由于实体设施可设定具有用 于储存多个箱的空间 ( 区别于可用于运动装置的空间 )， 因而第三实施例是封闭的液氮 / 气 体系统， 其中， 从 RPM 输出的低压氮气以低压储存在一个或多个箱中， 所述箱能够处理由于 降压转换所致的大的气体体积。
更具体地， 图 3 图示出根据本发明原理操作的示例性动力设施 400。 所述动力设施 显示为同时包括太阳能电池板 410 和风力发电机或涡轮 420， 用于分别通过太阳和风产生 电能。读者和本领域技术人员应注意， 该创造性的电力设施不限于同时采用太阳能电池板 和风力涡轮， 而是可包括二者中的一个或另一个或者二者都包括， 以满足在动力设施将工 作的地理位置的太阳和 / 或风力的易用性。
太阳能电池板 410 显示为将其所产生的 DC 输出供给到 DC/AC 转换器而至设施输 出 440。一部分或所有 DC 可受控而被引导至电储存单元或电池组 430。在需要时， 储存在 电储存单元 430 中的 DC 受控而被输入到 DC/AC 转换器 435， 并通过端口 440 输出， 或者用 于驱动压缩机 450。风力发电机 420 产生 AC， 所述 AC 从端口 440 直接输出， 用于直接驱动压缩机 450， 或者储存用于以后使用。当用于储存时， 使用 AC/DC 转换器 425 将所产生的 AC 转换为 DC， 由此输出的 DC 被提供到电储存单元 430。
压缩机 450 通过由 DC/AC 转换器 435 所提供的 AC 和 / 或由风力发电机 420 所产 生的 AC 被驱动。压缩机输出高压氮气， 压力如前所述。高压氮气流动通过高压导管 455， 在 将被储存时流动至高压箱 455 或者在将直接用于通过驱动交流发电机 470 而产生 AC 时流 动至 RPM 465。 在膨胀并传输其储存在高压状态的势能之后， 低压氮气通过将 RPM 连接到低 压箱 480 的低压导管 475 而离开 RPM。
典型地， 低压箱相当大以保持低压气体体积可比高压箱气体体积大至少一个量 级。 益处在于， 能够储存氮而使其能够实现封闭气体环路， 该气体环路显示为包括导管 475， 导管 475 提供低压氮与压缩机 450 的受控连通。也就是说， 压缩机 450 将氮重新压缩至高 压， 用于储存或由 RPM 立即重新使用。
在以上描述中， 使用特定的术语和视觉图示而例示出优选实施例。 不过， 所用的术 语或所示的例示说明应被认为不是相对于现有技术中所示的不必要限制， 这是因为， 这些 术语和例示仅为示例性的， 而并不意味着限制本发明的范围。
应进一步注意， 图 1、 图 2 和图 3 中所示的汽车实施例仅为示例性的， 而不应被认为 是用于限制本发明的范围。
本发明是用于气动机械动力源的装置和方法。 在前文中的说明书阐述的其它应用 均使用如图 1 和图 2 中所示的本发明的基本创新性步骤的示例， 其中， 通过提供由压力调 节后的压缩气体供应而驱动的旋转式气动马达， 消除了常规的机械动力产生方法中的热步 骤， 用于迄今为止在机械动能生产中需要热步骤的轻型、 中型和重型应用中。
进一步已知的是， 在不背离如所附权利要求书中所指出的本发明的范围的情况 下， 可对本发明进行其它修改。