CN1093591C - 热力液压发动机 - Google Patents
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Abstract
一种热力液压发动机(7)包括一框架(202)。一种工作流体的体积随温度变化。一工作流体容器(130)用于容纳该工作流体。固定于框架(202)的液压缸(100)包括一内部空间。液压缸(100)还包括一用于将工作流体引入内部空间的通道(124)。一活塞(106)容纳在液压缸(100)的内部空间内。液压缸(100)的内表面、活塞(106)和工作流体容器(130)一起限定了一个由工作流体充填的封闭空间。发动机(7)还包括用于对工作流体传送和除去热量的装置(136)，从而使工作流体在不发生相变的情况下交替地膨胀和压缩。活塞(106)响应于工作流体的膨胀和压缩而移动。
Description
发明领域
本发明涉及一种发动机，它可以通过对一工作流体交替地施加和除去热量而使工作流体膨胀和压缩来提供动力。
发明背景
通常，能量并不是以能现成利用的形式出现。现在已经有很多手段能用来将一种形式的能量转换成另一种形式。例如，内燃发动机能将在气缸内燃烧的燃油的***力转换成机械能，并最终带动车轮旋转而推动车辆。内燃发动机可将燃油在气缸内燃烧所产生的能量传递给一活塞。若没有气缸和活塞，燃油燃烧所产生的能量将简单地向每一个可能的方向传播。将一种形式的能量转换成另一种形式能量的装置的另一个例子是风车。若将风车连接于一发电机，则它可以将空气运动的机械动作转换成电能。
虽然内燃发动机通常可以借助例如汽油、柴油、天然气或酒精之类的矿物燃料燃烧而产生机械能，但已有其它尝试，希望借助矿物燃料的燃烧以外的装置使活塞之类的元件移动而产生机械能。然而，绝大多数此类装置还是基于提供一个力来驱动活塞之类可动元件的原理来工作的。各种装置的差别在于产生力以驱动活塞的方式以及力的控制方式。
某些装置是利用工作流体的移动来驱动例如活塞之类的可动元件。另一些装置是利用液体的相变来驱动可动元件。工作时，某些装置是利用阀来控制通过使一可动元件移动而产生机械能的工作流体的流量。
由于全球范围的日益增长的需求，目前研究的重点是能量的产生方式，或者是为我们日常生活的装置提供动力的方式。近年来，另一种研究领域已经涉及可替换的能量源。这种研究还在不断增加。此类研究增加的原因在于更多地了解到地球上的矿物燃料数量正变得越来越少。此类研究还源出于这样一种需要，即为居住在世界上各个偏僻的、没有供电的地区的人们提供电力。
可替换能量源的研究重点之一是太阳能。可以用光电电池来俘获太阳能，直接将太阳能转换成电能。太阳能研究的重点在于能以各种方式俘获太阳热量的装置。
如上所述，以内燃发动机和风车为例，光电太阳能电池和太阳能加热装置所要解决的问题就是一种形式的能量向另一种形式能量的转换。在太阳能电池中，利用太阳光内的能量来激发太阳能电池内的电子，从而将太阳能转换成电能。另一方面，在太阳能加热电池中，太阳的能量通常是由一种流体来俘获，例如通常可以看到的、在住宅屋顶上的太阳能热水板。
发明背景
本发明是针对以上问题而作出的。因此，本发明涉及一种用于将一种形式的能量转换成另一种形式的新颖装置。本发明还可以利用太阳能或其它非传统形式和/或能量源。
因此，本发明提供一种可以利用对一工作流体交替地施加和除去热量而使流体膨胀和压缩的热力液压发动机。所述能量可提供机械能和/或电能。
本发明的一个优点是可以利用各种热源来加热和/或冷却工作流体。
因此，本发明的另一个优点是它基本上是无污染的。
本发明的另一个附加的优点是，它可以使热能流出，因而可以用太阳能来提供动力。
此外，本发明的一个优点在于，由于它可以用太阳能来提供动力，因而可用于为偏远地区供电。
本发明的另一个附加的优点是，它可以对由现有方法产生的热量和/或热水加以利用。因此，借助本发明，还可以对目前尚不能利用、被当作废物丢弃的热能加以使用。
本发明的又一个优点是，它可以在不使用矿物燃料的情况下工作。
本发明的还有一个优点是，它在产生能量的同时不会产生大量因矿物燃料燃烧而生成并排放入大气的废气和颗粒。
本发明还有一个优点是，它可以包括一种相对较为简单的设计，这种设计可以无需一系列复杂的阀来控制工作流体通过***的流量。
因此，本发明的又一个优点是，它可以提供一种简单的设计，因而可以减少生产和维修的成本。
按照这些和其它一些目的和优点，本发明提供了一种热力液压发动机。该发动机包括一框架。该发动机是利用一种体积随温度变化的工作流体。一工作流体容器容纳该工作流体。一液压缸固定于框架，并包括一内部空间。该液压缸还包括一用于将工作流体引入内部空间的通道。一活塞容纳在液压缸的内部通道内。液压缸的内部空间、活塞和工作流体容器限定了一个由工作流体充填的封闭空间。该发动机还包括用于对工作流体传送和除去热量的装置，从而使工作流体在不发生相变的情况下膨胀和压缩，该活塞响应于该工作流体的膨胀和压缩而移动。
根据其它较好的方面，本发明提供了一种热力液压发动机。该发动机包括一框架。该发动机是利用一种体积随温度变化的工作流体。一工作流体容器容纳该工作流体。在工作流体容器的一端设有一柔性隔膜。该柔性隔膜响应于工作流体内无相变情况下的膨胀和压缩而移动。一与该柔性隔膜接触的连接杆响应于柔性隔膜的移动而移动。该液压缸还包括用于对工作流体传送和除去热量的装置，从而使工作流体在不发生相变的情况下膨胀和压缩。
熟悉本技术领域的人员从以下详细的描述中可以更清楚地理解本发明的其它目的和优点，所述描述仅对本发明的若干个较佳实施例进行，并且只是描述了实施本发明的最佳方式。应该理解，本发明还可以通过其它不同的实施例来实现，可以在不偏离本发明保护范围的情况下，对其中的若干个细节加以变化。因此，应该将以下的附图和描述仅仅看成是描述性的，而不是限制性的。
附图简要说明
图1是一包括根据本发明一实施例的热力液压发动机的发电设备的示意图；
图2是根据本发明一实施例的一种太阳能热力液压发动机的各个构件的示意图；
图3是可由本发明的热力液压发动机驱动的各个构件的俯视图，表示发动机上“加载”；
图3a示出了可由本发明的热力液压发动机驱动的链驱动齿轮和链轮的一实施例；
图4是根据本发明另一实施例的、用来驱动水泵的太阳能热力液压发动机的各个构件的示意图；
图5示出了根据本发明一实施例的一个包括三个液压缸的热力液压发动机；
图6示出了根据本发明一实施例的一个包括三个液压缸的热力液压发动机的各个工作步骤；
图7示出了根据本发明的一个包括四个液压缸的热力液压发动机的实施例和工作情况；
图8示出了根据本发明一实施例的热力液压发动机中的活塞在工作行程开始时的活塞位置；
图9示出了根据本发明的一热力液压发动机内的曲轴的旋转位置，它们表示曲轴相对于工作流体的膨胀和压缩以及工作流体施加和除去能量的各个位置；
图10是一曲线图，示出了根据本发明一实施例的热力液压发动机中所采用的一种工作流体的温度和压力的工作范围；
图11是根据本发明一实施例的、供本发明之热力液压发动机使用的热交换器的剖视图；
图12是根据本发明一实施例的、供采用汞作为工作流体的本发明热力液压发动机使用的热交换器和工作流体容器的剖视图；
图13示出了供根据本发明一实施例的一个工作流体容器使用的容器壁的实施例；
图14是可用于本发明的热力液压发动机的液压缸和活塞的另一个实施例的剖视图；
图14a是图14所示活塞和连接杆之实施例的剖视图；
图15是图14所示液压缸和活塞之实施例的局部放大剖视图；
图16是根据本发明一实施例的热力液压发动机的液压缸端部的剖视图，该端部包括一柔性凸缘，以便将因工作流体膨胀而产生的力传递给液压流体并最终传给一活塞；
图17是根据本发明一实施例的热力液压发动机的侧视图，该发动机包括一液压缸，该液压缸安装在一曲轴上，并且可枢转地连接于能在一安装于框架内的引导件内滑动的浮动栓(floating anchor)；
图18示出了图17所示的实施例，其中活塞正开始其工作行程，而曲轴已经开始转动；
图19示出了图17和图18所示的实施例，其中活塞已经开始其返回行程，而浮动栓正滑回到其引导件内；
图20是根据本发明一实施例的热力液压发动机的侧视图，该发动机包括两个弹簧，用以在活塞返回行程的方向上偏压活塞，以及偏压如图17-19所示的浮动栓；
图21是根据本发明一实施例的热力液压发动机的侧视图，该发动机包括一安装有发动机构件的框架；
图22是根据本发明一实施例的热力液压发动机的剖视图，其中在工作流体容器内安装了一个热交换器；
图23A-23H分别是根据本发明一实施例的热力液压发动机的剖视图，所述发动机包括沿径向布置的四个液压缸，这些视图示出了发动机在一个发动机循环内各步骤中的情况；
图24是图23A-23H所示实施例的立体图；
图25是可以包括在本发明热力液压发动机内的一液压缸的实施例，该液压缸包括一用作使工作流体流入和流出液压缸的通道的单个出入口；
图26是可以包括在本发明热力液压发动机内的一液压缸的实施例，该液压缸包括用作使液压流体流入和流出液压缸的通道的两个开口，因而活塞的返回行程也为一工作行程；
图27是根据本发明的热力液压发动机的示意图，该发动机包括直接型热交换器，而不是采用用于将热量引入热力液压发动机工作流体的热交换器；
图28是图26所示实施例中采用的一个直接型热交换器的剖视图；
图29是图28所示直接型热交换器的端部视图；
图30是图28和29所示直接型热交换器的放大的端部视图；
图31是一可用于直接将工作流体和/或加热流体和/或冷却流体引到本发明热力液压发动机各部分的机械阀的剖视图；
图32是可包括在本发明热力液压发动机内的一曲轴和一活塞曲柄臂的一实施例的剖视图；
图33是图32所示曲轴的剖视图，示出了活塞曲柄臂在发动机工作循环内某些步骤的位置；
图34是根据本发明一实施例的热力液压发动机的液压缸的剖视图，它包括如图31-图33所示的曲轴，该图示出了活塞曲柄臂在发动机工作循环内某些步骤的位置；
图35是可用于根据本发明热力液压发动机的曲轴和活塞曲柄臂配置另一实施例的剖视图；
图36是一包括若干个加强肋的曲柄力矩臂的侧视图；
图37示出了根据本发明另一实施例的热力液压发动机以及包括一太阳能集热器在内的相关构件；
图38是图37所示太阳能集热器的俯视图；
图39是根据本发明的太阳能集热器的剖视图，该集热器包括一季节性跟踪链驱动器和配重块，该图示出了太阳能集热器的各个不同位置；
图40示出了根据本发明的又一个实施例的热力液压发动机；
图41示出了根据本发明的又一个实施例的热力液压发动机；
图42示出了可供根据本发明一实施例的热力液压发动机使用的、包括一飞轮的传动装置；
图43示出了根据本发明一实施例的热力液压发动机，该发动机包括一可在其工作行程和其返回行程提供动力的活塞，包括一作为热源的被动型太阳能集热器，并且是为一水泵提供动力；以及
图44示出了根据本发明又一个实施例的液压缸、活塞和曲柄臂。
本发明的各较佳实施例的具体描述
如上所述，本发明是这样一种发动机，它在将热量交替地施加于工作流体并从所述工作流体中除去时，可从所述工作流体的膨胀和收缩中获得动力。流体的膨胀和收缩可借助本发明而转换成机械能。所述机械能可以直接加以利用。或者，可以将所述机械式发动机转换成另一种能量形式，诸如电能。
因此，本发明包括一种其体积随温度变化而发生变化的工作流体。本发明的热力液压发动机可以采用任何一种这样的流体。但是，如果与在相同温度范围内体积变化较小的流体相比，所述工作流体在一较大温度范围内所发生的体积变化较大，那么，可以从所述发动机的运转工作中获得更大的动力。
本发明至少一部分是按照流体通常是不可压缩的原理来进行工作的。因此，根据本发明，在发动机工作过程中，所述工作流体不会变成另一种状态，诸如变成固体或气体。但是，随温度变化而发生膨胀或收缩的任何一种流体均可以根据本发明而加以使用。
在选择工作流体的过程中可以考虑的特性是所述工作流体的膨胀系数和将热量传递给所述流体的传递速度。例如，如果流体迅速改变温度，所述发动机的速度将更快。但是，在一些情况中，能对温度的变化迅速作出响应的流体可以具有较低的膨胀系数。因此，为了能使发动机获得理想的效应，必须均衡这些因素。在选择工作流体时还可能会考虑到的其它一些因素包括所述流体可能对所述工作流体容器、环境和/或操作所述发动机的工作人员造成的腐蚀性影响。
在确定本发明热力液压发动机的尺寸、设计方案、成本、速度和其它特征时，一个极为重要的因素是工作流体。不同的流体具有不同的导热系数、膨胀系数和其它一些特性，它们会影响发动机的各特性。例如，工作流体的膨胀系数可以确定使发动机运转所必需的工作流体的数量。膨胀系数也可以影响使所述工作流体膨胀所必需的热量值。
如果使工作流体膨胀所必需的热量值有所变化，那么，就会改变一能提供热量的太阳能集热器的尺寸、一能赋予热量的热交换器的尺寸以及其它一些因素。在本发明的各实施例中，热量是由其它能量源来提供的，产生热量以使工作流体膨胀所必需的能量其大小可以根据热膨胀特性而变化。例如，如果所述工作流体受热膨胀达一较高程度，则为所述发动机提供必要的膨胀所需热量较少。这样就可以减小太阳能收集器的尺寸、减小使流体膨胀所必需的能量值或者可以减小例如热交换器的尺寸。
图27示出了一种热力液压发动机的一个例子，它包括一太阳能热源。虽然图27所示的实施例包括若干个太阳能集热器，但是，也可以采用各种热源，不管是直接的热传递还是热交换器均可使用。例如，本发明的热力液压发动机可以使用低级热量来进行工作。本发明的热力液压发动机也可以使用中高级的燃料源。可以使用的燃料源的例子包括：天然气、氢气、经液化的石油气、汽油、燃油、煤、原子核或其它燃料。本技术领域的熟练人员可以知道，当采用上述任一种燃料时怎样来设计出一***，以将热量赋予本发明的工作流体。
根据本发明，可使用的工作流体的例子是水。可使用的另一种流体是水银。此外，可用作工作流体的其它物质包括：氟利昂、人造氟利昂、氟利昂R12、氟利昂R23和液化气体，诸如液氩、液氮、液氧。将诸如人造氟利昂、氟利昂R12和氟利昂R23之类的氟利昂和有关物质用作工作流体是特别有用的，这是由于当将热量引入到这些物质中时，它们可以发生较大程度的膨胀，并且一旦除去热量，较容易回复到它们的初始体积和温度。根据本发明，可使用的工作流体的另一例子是液态二氧化碳。其它可以用作工作流体的流体包括：乙烷、乙烯、液氮、液氧、液氦、液化天然气和其它液化气。还可以使用其它的工作流体，这是由于本技术领域的熟练人员一旦了解了本发明所揭示的内容之后无需进行不适当的实验，就可决定的。
为了获得所述流体的膨胀能量，需要将所述工作流体容置在一封闭空间内。所述封闭空间可以包括很多不同的构件。但是，所述封闭空间通常至少包括一工作流体容器。
较佳的是，当所述工作流体常用非膨胀或基本上非膨胀的状态时，所述工作流体完全充满或基本上完全充满在所述工作流体容器的内部。换言之，通常，所述工作流体是以其最稠密的状态被置放在所述工作流体容器内，在这种状态下，它所占据的体积量为最小。然后将所述工作流体容器密封起来或者与所述发动机的其它构件相连，
所述工作流体容器的容积取决于所述发动机的尺寸、应用情况、这种应用情况所需的工作流体的具体量、所述工作流体随温度变化而膨胀收缩的膨胀量和收缩量以及其它一些因素。所述工作流体的精确内容积将结合几个具体实施例在下文中作描述。但是，这些实施例仅仅是说明性的，而不是限制性的，因此，本文仅仅示出了工作流体容器的几个例子。
较佳的是，所述工作流体容器由这样一种材料制成，它可以在工作流体膨胀时承受住来自工作流体的压力。可用来制成工作流体容器的材料包括：诸如铜之类的金属、塑料、陶瓷、碳钢、不锈钢或其它任何一种可承受住所述具体应用中的高温和高压的适当材料。不管所使用的是何种材料，较佳的是，当受到流体膨胀而产生的作用力时，所述材料是不可变形的或者是基本上不可变形的。所述材料可以由于热效应但最好不是由于来自膨胀流体的作用力而变化。用具有不可变形能力的材料来制造工作流体容器的材料有助于将工作流体的膨胀力传递给任何一个可动件，诸如本发明的具体实施例包括的活塞。
工作流体容器所受到的其它应力是由于工作流体的升温和冷却而产生的。当工作流体的温度升高时，所述工作流体容器会受热膨胀。同样，当工作流体冷却时，与流体相接触的材料将冷却并收缩。
因此，不管所使用的是何种材料，所述材料都应该不仅能承受住具体应用中的高温和高压，而且还必须能承受住在本发明热力液压发动机工作过程中连续产生的温度变化和压力变化。举例来说，在那些使用金属来制造工作流体容器的实施例中，金属疲劳将是一个难题。但是，金属疲劳问题可由本技术领域的那些能使用特定金属来适应特定实施例中的特定情况的熟练人员来克服。
因此，较佳的是，与工作流体接触的材料，诸如工作流体容器，也具有一定的弹性特性。过于脆性的材料容易爆裂和渗漏，从而使得所述发动机无法工作。
包含在本发明一实施例中的工作流体容器的个数主要是取决于液压缸或者用来俘获工作流体膨胀能量的其它装置的个数。较佳的是，工作流体容器的个数等于膨胀俘获装置的个数。但是，可以想到的是，可以有更多更少的工作流体容器。
例如，本发明的一实施例包括一藉助工作流体的膨胀作用可在一液压缸内部、朝着两个方向作来回移动的活塞。在这一实施例中，每一液压缸可以包括两个工作流体容器。因此，正如人们可以理解的那样，本发明实施例中的工作流体容器的个数是可以变化的。
所述工作流体容器可以与一液压缸相互连接。或者，所述工作流体容器可以被隔离在一流体容置***中。根据这一***，因工作流体膨胀而产生的作用力就不会被直接传递至一活塞或其它可动件，而是间接传递的。
如果所述工作流体容器和液压缸是相连的，从而使得工作流体的膨胀力直接传递给一活塞或其它可动件，所述工作流体容器和液压缸可以以各种方式而相互连接起来。例如，可以使用一管子、软管或其它管道来将所述工作流体容器与所述液压缸连接起来。或者，所述工作流体容器可以直接与所述液压缸相连。较佳的是，如果利用一软管或其它管道将液压缸与工作流体容器相连，则所述软管或管道也可以由一种可防止因工作流体膨胀所施加的力而导致变形的材料制成。这样一种材料的例子包括钢芯橡胶软管。
如上所述，工作流体可以被隔绝在工作流体容器内。根据这些实施例，膨胀流体的作用力可以传递至一液压流体，随后再将所述作用力传递至所述活塞，而不是直接传递给所述活塞。
根据这些实施例，所述工作流体容纳在工作流体容器内。所述工作流体容器与所述热交换器相接触。但是，当流体膨胀时，来自工作流体容器的工作流体不是流入一液压缸以驱动一活塞，而是未被所述热交换器所围置的所述工作流体容器的端部被一柔性盖板凸缘所封住。
在图12所示的实施例中，可以认为，所述工作流体容器和所述液压***形成了两个部分，它们构成了一总流体容置***。可认为柔性盖板凸缘180能隔绝所述工作流体。因此，在这些实施例中，工作流体容器182可称为流体隔绝部分。所述流体容置***的另一部分是液压***184。可将所述液压***看作一将工作流体的作用力传递给所述活塞的传递部分。
如果所述工作流体是一种腐蚀性或危险性材料，诸如水银，那么，流体容纳***就是非常有用的。不仅所述容纳和传递部分可使危险性工作流体能与所述发动机一起使用，而且，它还可以使得所述发动机的各部分能单独进行制造和装运，并且可以单独进行维修。例如，具有或没有热交换器186的所述工作流体容器可以与所述热交换器和与之互连的液压缸分开进行装运。
所述流体容置***包括：所述柔性盖板凸缘以及液压储箱和其它软管、接头、管道和一些用来允许所述液压流体使所述活塞工作可能所必需的通道。如上所述，所述柔性盖板凸缘可以将膨胀的工作流体的作用力传递至所述液压流体。不管用来构造所述流体盛装***的是哪些构件和材料，较佳的是，保持住所述工作流体的温度和压力。
根据其中一个实施例，一安装凸缘188围绕工作流体容器182的开口延伸。较佳的是，随后将柔性盖板凸缘180定位在与工作流体容器182相连的安装凸缘188上。随后可以将所述液压流体储箱连接在所述柔性盖板凸缘上。较佳的是，所述液压流体储箱最好包括一其形状与工作流体容器182上的安装凸缘188的形状相对应的安装凸缘190。然后可以将所述液压流体储箱和所述工作流体容器紧密地连接在一起，以密封住其间的空间，从而防止所述工作流体从所述工作流体容器中泄漏出来。
所述液压流体储箱可以直接或通过一个或多个导管与所述液压缸连接。如果所述工作流体没有被隔绝在所述工作流体容器内，所述液压流体将起工作流体的作用，根据这一实施例，当所述工作流体膨胀时，它将压力施加给所述柔性盖板凸缘。所述柔性盖板凸缘随后将作用力施加给所述工作流体。这样，就在所述液压流体上产生了一压力。施加给所述液压流体的压力可使它将压力置于所述储箱、液压缸和活塞的所有表面上。由于所述活塞是所述***中仅有的一个可动件，因此，它将根据所述压力而移动。
图13示出了所述工作流体容器内表面和所述热交换器内表面之间的容置壁。
所述工作流体容器的个数以及可能的话还有各容置部分的个数均可以根据液压缸的个数并根据是否使用了一动力膨胀回程(将在下文中描述)以及其它一些因素而变化。
如上所述，所述工作流体膨胀，膨胀的流体直接或间接地流入一液压缸。所述液压缸是本发明的核心，这是由于所述液压缸可容纳所述活塞，膨胀的工作流体的作用力传递于所述活塞上，从而可使所述液压缸移动并开始提供由本发明所产生的机械能。
由于具有本发明的工作流体容器和其它构件，因此，所述液压缸可由各种材料制成。以上对作用在工作流体容器上的应力和制成所述工作流体容器所用的材料的描述也适用于所述液压缸。因此，可以采用相同的材料来制造所述液压缸。
所述液压缸的尺寸可以根据与具体应用情况有关的多个因素而变化。较为重要的因素是确定所述液压缸的尺寸，它包括液压缸的个数、所述发动机上的具体负荷，以及所需产生的动力的大小等等。包含在本发明的热力液压发动机中的液压缸的最大内部容积的常用值是从大约850立方英寸至大约20,000立方英寸。但是，每一液压缸的直径尺寸均可从大约4英寸变化至大约36英寸。
根据一实施例，一具有直径约5英寸的液压缸和一活塞行程约为1 8英寸的发动机可产生大约10马力的动力。
较佳的是，所述液压缸具有一圆形或基本圆形的横截面形状。
图5、图7和图14示出了可以用在本发明热力液压发动机中的液压缸的各实施例的几个例子。
所述液压缸可以安装在一其上安装有本发明的其它构件的框架上。所述液压缸可以固定地或以活节安装在所述框架上。图17、图1 8和图19示出了本发明的一实施例，其中，液压缸200是以活节或可枢转地安装在框架202上。根据该实施例，液压缸200包括一诸如叉子或其它适当构件之类的连接件204，它可以与框架202上的一互补构件可枢转地相连。一销206是一种可用来将所述液压缸与所述框架相连的装置。由于所述活塞作周期性运动，曲轴旋转，因此，所述液压缸将围绕其栓点枢转。
图17-图19所示的实施例还包括一浮动栓。根据该实施例，所述液压缸可枢转地安装在所述浮动栓上，所述液压缸可绕所述浮动栓枢转。所述浮动栓可动地安装在一导向件208内部。导向件208可使所述浮动栓从右向左滑动，如图17-图19所示。导向件208可直接或间接地连接于框架202。
所述浮动栓可使所述活塞回缩，而不需要等所述曲轴继续旋转，而且不需要克服任何其它趋于朝着反向于其回程的方向作用在所述活塞上的作用力。
与本发明的该实施例无关，它可以包括一浮动栓。
图20示出了本发明热力液压发动机的一实施例，它包括几个可将所述活塞朝着其回程方向偏压或移动的弹簧210。如果所述发动机包括弹簧，它可以包括至少一个弹簧。弹簧的使用可使所述液压缸朝着其回程的方向移动，它对于始终保持住工作流体上的压力来说是很重要的。对于一些工作流体来说，这是极为重要的，诸如氟利昂，氟利昂替代物和类似化合物。
根据图5、图6和图7所述的实施例，所述工作流体可被引入所述液压缸的一端部内。因此，这些实施例的液压缸仅在该端部处具有一连接件。但是，根据其它一些将在下文中作更为具体描述的实施例，所述回程及动力膨胀行程是由一种工作流体来提供动力的。根据这些实施例，所述液压缸可以包括用来将工作流体引入所述液压缸两端的装置。这些实施例还包括一围绕与所述活塞相连的连接杆而设置的密封件，这将在下文中作更为具体的描述。
本发明的热力液压发动机的工作缸可以包括一用于使工作流体流入和流出所述液压缸的通道的孔口。根据这些实施例，所述工作流体的膨胀可通过其动力膨胀行程而给所述活塞提供动力。图25以剖视图的形式示出了这一实施例。
在本实施例中，液压缸326包括一用来将工作流体引入所述液压缸的入口328。工作流体的膨胀可将作用力施加至那些能形成空间330的表面区域的壁面上，所述工作流体引入所述空间330内。当所述工作流体膨胀时，它将作用力施加至位于液压缸326内部的活塞334的表面332上。密封件336可防止流体进入所述液压缸内部容积的剩余部分内。施加在所述活塞表面上的作用力可使所述活塞移动至一如338所示的伸展位置。所述活塞可藉助因所述流体收缩所产生的作用力，以及当多缸发动机内的其它液压缸处于它们的动力膨胀行程时由这些液压缸施加于曲臂340上的作用力或其它作用力而可在其回程上被动力推动。
图26示出了本发明液压缸的另一实施例，它包括两个用于工作流体流入和流出所述液压缸的两个孔口344和346。使工作流体流入和流出所述液压缸的两个孔口可使所述活塞朝两个运动方向被动力推动。换言之，所述活塞始终处于动力行程，而与所述活塞的运动方向无关。
这样一个实施例无需外力来使液压缸返回。双口液压缸还可以允许一活塞双向工作。重要的是，双口液压缸可以允许本发明的热液力型发动机只用一个液压缸进行工作。
本发明的热液力型发动机内包含一个双口液压缸的另一个优点在于，由于液压缸可以在其双向移动的情况下为负载提供能量，因而可以减小发动机的尺寸。虽然这种发动机可以使尺寸减小，但由于在活塞的安装活塞轴那一侧的孔口对活塞施加的力较小，因而有两个孔口的单液压缸不能替换有一个孔口的双液压缸，这是因为此处活塞的表面积需减去活塞轴面积的缘故。
双口液压缸的另一个优点是可以使工作流体在液压缸之间相互连通。根据这样一个实施例，主孔口，例如图36所示实施例中的孔口344，可以让流体流入液压缸，以在活塞的工作行程中驱动活塞，该主孔口可以连接于一次孔口，例如图26所示实施例中的另一液压缸的孔口346。
包括互连液压缸的一个实施例可允许一活塞由借助流入主孔口的流体来提供动力的第一液压缸推动，并由从液压缸的第二孔口排出的流体拉动。根据这样一个实施例，随着各活塞始终借助同时流入和流出第一和第二孔口的工作流体移动，曲轴始终借助全部液压缸所施加的力转动。这样的设计可减小发动机尺寸。根据一实施例，与包括只具有一个孔口的液压缸的发动机相比，每个液压缸包括两个孔口的热液力型发动机可以减小大约一半尺寸。
如果在活塞的与工作流体相对的那一侧提供气体，则利用一单口液压缸就可以至少部分地实现双口液压缸的效果。当活塞处于完全抽出位置时，可以对气体加压以维持活塞上的压力平衡。当活塞在其工作行程中移动时，随着工作流体推抵活塞，会使气体受到压缩。工作流体的较大的液压力一般大大高于气体提供的气压力。因此，气体通常只会略微限制活塞的前移。随着工作流体的压缩，活塞上的液压力减小。减小的液压力的大小通常接近由气体产生的气压力，因而使气体有助于让活塞返回起始位置。
利用上述气体作为弹簧，就可以将腔室设计成能避免产生极端压力。气体压力应该高于平衡位置上的液压力。另外，气体压力应该高到足以克服活塞惯性以及活塞和缸壁之间设置的O形密封圈的摩擦力。
如上所述，本发明的热液力型发动机可以只包括一个液压缸。单个液压缸可以由在液压缸两端流入和流出的流体来提供动力。本发明热液力型发动机的单个液压缸还可以包括至少一个连接于传动***的飞轮，以便允许曲轴完全转动。
图42示出了可以用于本发明热液力型发动机的一个传动***的实施例。图42所示的传动***包括多个齿轮800，以传递由发动机产生的动力。飞轮802位于传动***的高转速侧。中心轴804是通常低速回转的发动机的主曲轴，各齿轮安装在6至0.5英寸的钢板806上。在图42所示的实施例中，齿轮的安装间距是16英寸。当然，熟悉本技术领域的人员可以将不同数量的齿轮以不同的方式安装到不同的支承上。熟悉本技术领域的人员还可以用不同的方式将齿轮连在一起并连接于发动机。
准确地说，从理论上讲，如果设置一个尺寸足以允许曲轴旋转的飞轮，则本发明的热液力型发动机可以包括一只有一个工作流体引入口的单个液压缸。熟悉本技术领域的人员在以上揭示内容的基础上不必作多余的试验即可确定飞轮的尺寸。
一可动构件可以位于液压缸内。这样一个可动构件的例子是活塞。该可动构件可以响应流体因温度变化而发生的体积变化，沿液压缸的长度方向来回滑动。
为了将工作流体保持在一封闭空间内，最好能防止工作流体流过液压缸和活塞之间。这可以通过设置一个其横截面积仅略小于液压缸的活塞来实现。而且，若活塞的横截面形状与液压缸内部的横截面形状基本相同，还有助于确保活塞和液压缸之间的密封。
活塞与液压缸之间的任何间隔可以通过围绕活塞设置一个密封件来进一步密封。或者，可在活塞面对液压缸内部的表面上绕活塞周边设置一密封件。该密封件有助于活塞与液压缸间的间隔的密封。使该间隔密封有助于确保因流体膨胀所产生的所有能量传递给活塞，而不会因活塞与液压缸间的流体泄漏浪费掉。如果流体发生泄漏，就会大大降低发动机的性能。
图14、14a和15示出了可用于本发明发动机中的活塞和液压缸配置的一备选实施例。按照本发明，工作流体从活塞192的两侧导入液压缸。因此，活塞与液压缸壁194接触的区域由活塞192两侧的密封件196和198密封。
为了将力从活塞传递到一曲柄轴或其它传动部件，活塞可装有一连接杆。在没有动力回程的实施例中，连接杆可以连接于活塞面对工作流体侧、或是在具有一工作流体容置***的实施例中面对液压流体侧的另一侧。在包括一动力回程的实施例中，连接杆仍连接于活塞。但活塞的两侧与工作流体相接触。
在包括动力回程的实施例中，液压缸的突伸出连接杆200的一端必须由密封件202密封，以保持动力回程的工作流体的压力。
如图14a所示，工作流体作用于活塞与连接杆200相连的一侧上的力仅被传递到活塞192围绕连接杆的部分上。这使输送给曲柄轴的有效力减小。这种减小在活塞的有效作用区可以通过增大热量传递至工作流体的容量和速度而得到补偿。
图16示出热力液压发动机的一备选实施例，它具有一柔性的管口盖凸缘。按照该实施例，图16中箭头表示的由膨胀的工作流体所产生的力作用于该柔性管口盖凸缘204。然后该凸缘作用于部件206上，从而使部件206移动。部件206的移动可受导向件207的引导。部件206与一曲柄轴或其它驱动机构(图16中未示出)互相连接。凸缘204可固定于两个类似于图12所示实施例的安装凸缘208与210之间。
不管发动机是否包括动力回程，连接杆均可固定或可活动地连接于活塞。如果连接杆固定地连接于活塞，则液压缸最好是以活节安装在框架上。不管连接杆是活动地还是固定地连接于活塞，连接杆均可包括一个或多个部分。
连接杆可以连接于一曲柄轴和其它传动件，以驱动一个装置或一台发电机。在某些实施例中，液压缸固定地连接于一框架，并且连接杆以活节连接于活塞和一曲柄轴，因而随着活塞通过其冲程前后移动以及曲柄轴的转动，连接杆将改变其位置。
如图23A-23G和24中所示，本发明热力液压发动机的液压缸可以径向设置。在该热力液压发动机中采用径向设置的液压缸可使能量从液压缸更直接地传递到曲柄轴，且发动机上可施加任何负载。另外，液压缸的径向设置可为工作流体所产生的力提供通过发动机机械***的更直接的路径。而且，在下面将更详细讨论的背压力以及来自活塞和/或活塞O型圈的其它内部载荷可以更直接地由液压缸径向设置的发动机的动力冲程来处理。
本发明液压缸径向设置的热力液压发动机的一个实施例可具有任何数量的液压缸。在本发明的液压缸径向设置的一个实施例中，液压缸的数量可以是偶数，也可以是奇数。
本发明热力液压发动机的图23A-23H和图24所示的实施例具有四个液压缸300、302、304和306。这些液压缸可以连接于框架299。液压缸内的活塞(未图示出)通过曲柄臂308、310、312和314连接于一连接件316。为便于曲柄轴和连接件316的转动，曲柄臂308、310、312和314之间的连接可以用活节安装于液压缸300、302、304和306内的活塞(未图示出)或安装于连接件316。连接件316可以通过连接件318而连接于曲柄轴320。
图23A-23H表示发动机一个旋转循环中，在诸液压缸同时经历动力和回程时，活塞、连接臂、连接件和曲柄轴的不同位置。在图23A中，活塞300处于动力冲程中。活塞302刚开始其动力冲程。另外，活塞304已完成了其冷却或回程。另一方面，活塞306处于其冷却或回程的开始阶段。
在图23A-23H中，曲柄轴沿顺时针方向旋转。活塞304在其回程中已完成了其冷却循环并正开始其加热循环，但还没有达到其动力冲程范围。所谓活塞没有达到其动力冲程，意思是工作流体还未达到能使活塞移动的或是沿其动力冲程大于一个虚设量的压力。换句话说，压力不在可使活塞移动的范围内，活塞实际上并不处于其动力冲程的范围内。
图24表示图23A-23H所示热力液压发动机实施例的三维立体图。从图24中可以看到，诸液压缸可安装于框架件322、324。活塞安装框架件322和324通常可安装于另一或另外多个用来固定它们的结构。
在本发明的任一实施例中，尤其是在液压缸径向设置的实施例中，任一活塞在该活塞回程中的冷却循环最好允许工作流体以一个等于或快于活塞处于其动力冲程中的工作流体膨胀速度的速度收缩。如果工作流体的冷却不如工作流体的温升快，则工作流体可能产生一个“背压力”，它会约束活塞在其动力冲程中的移动。该背压力会在发动机上产生一个不必要的载荷，妨碍发动机的整个工作。在本发明的液压缸径向设置的实施例中，这种情况尤为明显，因为液压缸通常是相对成对设置的。
如果某一液压缸因工作流体冷却和收缩速度慢于另一此时处于动力冲程的液压缸中工作流体的加热和膨胀速度而产生背压力，则该处于其动力冲程的液压缸的移动将受该背压力的阻碍。因此，背压力起了发动机上除诸如发动机所驱动的泵或其它装置之类的载荷之外的附加载荷的作用。
有助于防止产生背压力的一种方法是确保足够快地将热量从工作流体上移走。这可以通过确保冷却流体的流动足够快来实现，从而使处于回程的液压缸中的工作流体的热量的移走速度等于或大于热量传递到处于动力冲程的液压缸中的工作流体的速度。如本文所描述的，如果发动机没有热交换器，则回程液压缸中的工作流体向外传递热量的速度最好等于或大于热量传递到动力冲程液压缸中工作流体的速度。热量的移走和传递可取决于工作流体、冷却源材料、热交换器的特性以及其它因素。
而后，传动件连接于一负载，以实现所需的功能。例如，发动机可驱动一水泵、一发电机和/或一氟利昂压缩机以及其它器件。
为了将热量传入和移出工作流体，工作流体容器最好与将热量传入和移出容纳于工作流体容器中的工作流体用的装置相通。该装置可实现加热和冷却。或者，本发明可具有用于实现各功能的分离的装置。
按照一个实施例，将热量传入和移出工作流体的装置是一热交换器。根据是否需要加热或冷却工作流体，可将相对较热或相对较冷的水或其它物质导入热交换器。本发明的热力液压发动机最好具有一个用于每个工作流体容器的热交换器，但本发明的发动机也可具有任何数量的热交换器。
图11示出了本发明的热交换器或工作流体容器的一实施例。按照该实施例，工作流体容器176被热交换器178围绕。
该热交换器具有两个开口，即一个入口和一个出口。可将一相对较热或较冷的物质导入热交换器，以加热或冷却工作流体。是加热还是冷却工作流体至少部分取决于热交换器中的物质是热于还是冷于工作流体。工作流体容器可具有许多散热片或其它装置，用以增大工作流体容器与导入热交换器的物质相接触的表面积。
在提高工作流体热传递的其它方法中，包括在工作流体容器中加入一循环泵。循环泵可产生湍流，用于提高热传递速度。
热交换器是将热量传入或移出工作流体用的装置的一个例子。热交换器可以建在工作流体容器的周围，不管该容器是否是容置***的一部分。在一热交换器中，通常使高温和低温流体与工作流体容器相接触。一般，通过热交换器循环的流体是在相对较低的压力下。但是，工作流体会根据是需要加热还是冷却工作流体而改变温度。因此，热交换器最好也由能承受其循环通过流体所处压力和温度的材料构成。热交换器可采用的材料例如是聚氯乙烯(PVC)管、诸如碳钢、铜或铝之类的金属管、铸造或注塑塑料、或是任何能承受热交换器中压力和温度的材料的组合。
并不需要在热交换器中仅使用一种液体来将热量传入或移出工作流体。例如，在热交换器中还可以使用气体或气液混合物来加热和/或冷却工作流体。
本发明的一个优点是，任何高、低温源物质，不管是液体还是气体，或是由其它装置传递的物质，均可用来加热和冷却工作流体。例如，可用来自工业过程的加热的废水来向工作流体传递热量。这种水在被排入环境之前通常用一些方法来冷却。因此，水中的热量在本发明中可被用来产生机械能和/或电能，而不是被浪费掉。如上所述，按照本发明还可以采用太阳能加热和冷却。正因为这种用诸如废水之类的无用能源或诸如太阳能之类的免费能源来加热和冷却的能力，使得本发明如此地符合需要。
如将一流体用于热交换器，该液体和/或气体最好应在至少一定量压力之下，以保证该液体和/或气体流过该热交换器。当该加热的液体和/或气体穿过该热交换器时，它将其较多的热能传递给具有较低热能的工作流体。然后该工作流体膨胀并将力施加于一活塞、柔性屏障或其它部件，从而产生机械能。
当工作流体从热交换器吸收了尽可能多的、或是所需要的热量后，可将一相对较冷的液体和/或气体传递通过热交换器。然后，工作流体中的热量将按自然法则流到热交换器中相对较冷的液体和/或气体中。
图22示出了本发明的热交换器的一备选实施例。按照该实施例，热交换器212位于工作流体容器214内。按照该实施例，工作流体容器也与活塞连续。按照其它在工作流体容器内具有热交换器的实施例中，工作流体容器可以不与液压缸连续。在图22中，距离a表示活塞在动力冲程和回程的最大位置间的行程。工作流体容器214的端部216可由一凸缘218密封，该凸缘固定在一位于工作流体容器上的一凸缘220与一通过螺栓224固定于工作流体容器凸缘220的端凸缘222之间。
图5是本发明的三液压缸发动机的简图。图5中所示的构件并不一定要在发动机中彼此处于相同的物理位置，在此表示为这种配置只是为了便于理解。发动机还可具有并不一定需要包括在这些实施例中或示于该图中的其它构件。
图5所示的发动机具有三个液压缸100、102和104。每个液压缸内分别设置有一活塞106、108和110。每个活塞分别连接于一连接杆112、114和116，它们连接于一曲柄轴118。
本发明中所含液压缸和活塞的数量可以根据实施例和上述因素的不同而变化。采用诸如图14和15中所示的那种活塞的发动机可仅使用两个液压缸和活塞，因为活塞是被进入液压缸的活塞与连接杆相连的那一侧的工作流体推回到液压缸中的。这是因为，保持发动机速度以确保活塞回行入液压缸的必要程度要小于未使用动力回程时的必要程度。因此，在没有使用动力回程而仅使用向前动力冲程的情况下，发动机最好包括至少三个液压缸。
由于本发明发动机中活塞的慢动性质，可能需要包括三个活塞，以确保活塞完成它们的回程。对于三个活塞，至少一个活塞始终处于动力冲程，以助确保其它活塞帮助完成它们的回程。这是因为始终处于动力冲程的一个活塞会促进曲柄轴的旋转，因而也帮助使其它活塞沿它们的回程移动。
然而，本发明的发动机可包括任何数量的液压缸。例如，发动机可由16、20或更多个液压缸构成，以用于更大的发电厂运转。
曲柄轴与一负载互相连接。该负载可以是一由曲柄轴驱动的机械装置。负载的另一个例子可以是一由曲柄轴驱动的发电机。曲柄轴还连接于一水阀122，它控制高温和低温液体和/或气体流入热交换器。
液压缸100、102和104分别通过一高压软管124、126和128而与一工作流体容器130、132和134互相连接。工作流体容器130、132和134分别封闭在热交换器136、138和140内。工作流体可以容纳于由热交换器130、132和134，高压连接件14、126和128以及液压缸100、102和104内部所限定的空间内。当然，在具有一流体容置***的实施例中，工作流体容纳于工作流体容器内。显然，在没有工作流体容置***的实施例中，容纳工作流体的空间会随活塞在液压缸内的移动而改变容积。
图6是对图5所示三液压缸发动机在液压缸循环时的一系列描绘。在图6所示的实施例中，141表示一偏心凸角凸轮，它具有摇臂杆和/或推杆，用于推开水阀。凸轮轴控制工作流体的加热流和冷却流。各液压缸/热交换器/工作流体容器分别由1、2和3表示。
加热和冷却流由进入***的高温水流142、进入***的低温水流144、高温返回流146和低温返回流148表示。高温源到***的流动由150表示，从低温源到***的低温流是152，从***到高温源的流动由154表示，从***到低温源的流动由156表示。
随着液压缸如图6中所示那样循环，高温和低温流体根据具体的液压缸正朝一个方向移动还是朝另一个方向移动而流入和流出热交换器。如图5中所示，引导高温和低温流体进入热交换器的阀的打开和关闭可由一直接或间接连接于一由诸液压缸所驱动的曲柄轴的凸轮轴控制。
一间接连接的凸轮轴可以以定时链式连接方式连接于曲柄轴。当然，可采用任何连接方式将凸轮轴连接于曲柄轴。凸轮轴可以是一偏心凸角凸轮，它具有摇臂杆和/或推杆，用于推开通向热交换器的水阀。
图7示出了本发明热力液压发动机的一个实施例，它包括四个液压缸158、160、162和164。将热流体和冷流体传送入和传送出热交换器的阀166和168直接由曲柄轴170控制。在图7中，活塞158处于开始其动力冲程的过程中。热流体正流入与活塞158相联的热交换器172，而且正被排出热交换器172。
循环泵可以由曲柄动力直接或间接驱动。间接驱动的循环泵可以通过液压泵和/或电机驱动。
用于冷却工作流体的的冷却流体(在本例中为水)可以从被发动机泵压出井的水处获得。如从图4所示实施例中可以看到的，发动机通过一传动机构驱动一个泵，该泵从一诸如地下井之类的水源中泵吸水。诸如图2和4所示之类的实施例可以自足，而不需要任何外部动力。当然，这种实施例可以连接于一电源线，以在光线不足的时间中，或是在阴天或是在晚间驱动泵。或者，此时可提供电池组来驱动循环泵。
图1表示采用本发明热力液压发动机的一发电设备的总的示意图。通常，这种发电设备包括：一高温源1；一低温源3；一热交换器5；一热力液压发动机7，在本例中是指工作流体和液压缸本身；一某种类型的传动机构9，可能是一保持发动机动量的飞轮11；以及一发电机13。当然，该发电设备并不一定需要包括飞轮，或是驱动发电机。发电设备还可具有未示于图1中和/或未包括在图1所示实施例中的其它构件。
图2示出热力液压发动机的一实施例，它利用太阳能提供热量来加热工作流体和一用于从工作流体移走热量的蒸发冷却***。图2表示加热和冷却水在***不同构件中的流动。当然，也可以用除水以外的物质来加热和冷却工作流体。
随着冷却水进入与一液压缸相联的一热交换器以吸出***的热量，随冷却水从工作流体吸收热量而产生的热水可回流到一热水贮槽(如果***含有热水贮槽的话)。
图2所示***具有太阳能热水板2，用以加热将使工作流体膨胀的水。由热水板加热的水将流过至少一个水引导阀4，它将加热的水引导至热水贮槽6。加热的水从热水贮槽6流到一热水泵8。该热水泵8将使加热的水循环到热力液压发动机(未图示出)，然后回流到太阳能热水板2被再次加热。
图2所示的实施例还包括一蒸发冷却***10，用以提供冷于由太阳能热水板2加热的水的水，以从工作流体移走热量。由蒸发冷却***10冷却的水通过至少一个水引导阀4流出蒸发冷却***。水引导阀将冷却水引导至一冷水贮槽12。冷却的水将从冷水贮槽12流到冷水泵14。冷水泵14将使冷却的水循环到热力液压发动机(未图示出)，然后回流到蒸发冷却***10被再次冷却。
图3示出了由热力液压发动机(图3中未示出)驱动的曲柄轴15与在发动机上形成负载的诸部件之间的连接方式的一实施例。在该实施例中，曲柄轴15连接于一链驱动齿轮和链轮17，它包括两个相对较大的齿轮19和21，它们最终连接于一较小齿轮23。可以理解，曲柄轴15的转动将被图3所示实施例中的齿轮放大。图3a是链驱动齿轮和链轮17的放大侧视图，表示齿轮19、21和23以及受齿轮驱动及驱动齿轮的链20和22。
链驱动齿轮可以连接于一液压泵25和电动机增速器27，该增速器最终连接于一发电机29。一飞轮31可互连于液压泵与电动机增速器之间，以帮助维持发动机的循环。
图4是本发明的太阳能热力液压发动机和一些相关部件的另一实施例的示意图。热量通过相对较热和较冷的水输入和移出工作流体。与任何实施例一样，可以使用水以外的物质来将热量输入和移出工作流体。图4还示出了加热的水在***中的流动。
图4所示实施例包括热力液压发动机33。太阳能板35提供使发动机中的工作流体加热的热量。而后，加热的水流到一组阀37、39、41和43。阀的数量可取决于发动机中液压缸的数量、热交换器的数量、水如何分配到热交换器和液压缸以及其它因素。
阀37、39、41和43将水输送到热交换器45。然后，加热的水使发动机33中的工作流体加热。在将热量输送给工作流体后，加热的水被引导通过阀47、49、51和53，随后回流到太阳能板35。
循环泵55驱动加热水的流动。循环泵55可以由光电池(未图示出)产生的电能驱动。
热力液压发动机33可以连接于传动机构57。在该实施例中，发动机33驱动一泵59。泵59可用来将从一水源61泵出。水源61可包括井、水库、水池或其它水源。水可以从水源61泵压入储水管道63。
水源61的水可用作冷却工作流体的冷却水源以及待加热后为工作流体提供热量的水源。用于两种功能的水均可储存在一储水箱63内。
本发明发动机的各部件可安装在一框架上。图21示出了本发明热力液压发动机的一实施例，它包括四个液压缸，其中的发动机各部件安装于一框架A上。
为了简化对本发明热力液压发动机的工作的说明，只描述本发明一三缸发动机的运行。图5示出了这样一个实施例的例子。工作流体在液压缸内，工作流体容器被热交换器围绕。因此，在某种意义上，热交换器的作用象一容置***。
在此所描述的实施例中有三个液压缸67、69和71以及三个活塞73、75和77，每一个活塞最好能驱动曲轴79转动至少120°，使一个活塞总是处在驱动曲轴转动的工作状态中。假设一个活塞将开始其动力行程来描述发动机的工作。
为了开始动力行程，工作流体必须被加热。图5所示的实施例包括三个热交换器132、 136和138，以将热量引导到工作流体中及从工作流体中排除。按照实施例，加热状态和冷却的工作流体之间的差别可以有所不同。根据一个实施例，工作流体的高温与低温差约在40-60°F。但是，工作流体的高温与低温差可以更大或更小。
工作流体的高温在任何地方可以自约80-200°F开始。工作流体高温的范围也可以自约120-140°F开始。但是，工作流体高温的任何温度都可采用，只要它大于工作流体的低温就可以了。事实上，在212°F之上的过热水也可采用。
工作流体的低温可以从约35°F变化到约85°F。根据一个实施例，低温可以从约70°F到约85°F。但是，如上有关高温所述，工作流体的低温可以在任何温度，只要它低于工作流体的高温就可以了。高温与低温之差越大，加热和冷却工作流体的可能性就越大。
工作流体的温度也可通过限定相对于工作流体的最低温度的工作流体最高温度来限定。因此，工作流体的温度差可高达约60℃。或者，工作流体的温度差可在约60℃与120℃之间。工作流体温度差的其它范围包括约120℃与180℃之间和约180℃与240℃之间。
发动机开始工作之前，工作流体被加压到能有助于在活塞与液压缸壁之间保持密封。液压缸内维持正压力有助于迫使活塞与液压缸之间的区域密封。例如，工作流体可以预加压至约每平方英寸200磅。如果工作流体预加压，可加压到这样一个程度，即在从工作流体中排除热量时集中工作流体的过程中，液压缸内的压力从不下降到0以下。但是，工作流体也完全不必预加压。
图10表示一曲线图，它示出了采用一种工作流体的热力液压发动机的一个实施例的温度和压力工作范围。
工作流体被加热并开始膨胀时，流体的力传递到活塞，由此使活塞移动。根据包括三缸的本发明的一个实施例，曲轴直到连杆174已运动到一通过如图8所示的上死点约20°的位置才开始转动。
如上所述，在一三缸实施例中，因为有三个活塞且在曲轴转动一整圈为360°，所以活塞必须驱动曲轴大约至少120°。类似地，在一四缸液压缸发动机中，每一活塞必须驱动曲轴约90°。活塞必须驱动曲轴转动的对应度数可用360°除以活塞数量来简单地算出。
给出了这样一个事实，即曲柄的转动直到连杆运动超出上死点约20°才开始，活塞动力行程的120°的计算将从这转动的20°启动点开始计算。但是，下一个活塞的动力行程将在连杆到达超出上死点120°才开始。因此，在第一液压缸与第二液压缸的动力行程之间有一20°的重叠。这将有助于确保活塞之间的平稳过渡，使传递到曲轴并从曲轴传出的有效回转力始终保持不变。当任何活塞在它的动力行程中移动时，它不仅驱动曲轴或其它用活塞的移动作动力的装置，而且也可帮助推动发动机中在回程中的其它活塞。
如图9所示，根据该实施例。当连杆到达超出上死点约120°的位置时，最好切断与第一液压缸相关联的热源。随后，当连杆到达超出上死点约140°时，冷源流体开始进入热交换器。由于第一活塞的回程是持续的，而且连杆和曲轴的转动也是持续的，当连杆到达超出上死点约300°时，到热量的冷源流体被关掉，到热交换器的高温流体源重新启动。
高温和低温源流体引入热交换器的位置可以改变，具体取决于本发明的实施例。可以改变高温和低温流体流入交换器的一个因素是工作流体是否如上所述被预加压。可通过增加高温流体流到热交换器中的流量来提高活塞移动的速度以及因此曲轴的速度。也可通过增加导入热交换器中的高温和低温流体(工作流体I)的温度差来提高发动机的工作速度和马力输出。
在300°的转动点处，当高温源流体被重新导入热交换器时，工作流体已回到其基础温度压力和体积。这些体积、温度和压力参数可用来计算发动机的大小、到热交换器的高温和低温流体的流量、发动机负荷、液压缸的大小、液压缸的数量和本发明的许多其它的运行和结构参数。
可以多种方法控制上述流到热交换器的高温和低温流体的流量。例如，可将一定时齿轮直接或间接地连接于曲轴。然后定时齿轮根据曲轴的位置可机械操纵控制流到热交换器的高温和低温流体的流量的值。或者，一被曲轴所转动的凸轮轴可操纵一电气控制流到热交换器的高温和低温流体的流量的电气***。
用来控制流到热交换器的高温和低温流体的流量的其它方法包括激光、计算机程序、光学装置、机械推杆、连杆、杠杆或其它手动的和/或自动的装置。应知道，一复杂的计算机控制能够使实施例的热力液压发动机的运行最佳化，如电气控制有助于现代汽车内燃发动机的运行最优化。一复杂的电气控制***能同时监控和控制大量的参数，使发动机的运行最优化。
如上所述，本发明的热力液压发动机包括一引导工作流体和其它流体流动的机械阀。图31示出旋转阀的一个例子，它用来引导本发明热力液压发动机中的冷却剂的流动和/或工作流体的流动。图31所示的阀包括一连接于阀体562的连接件560。阀体包容一在阀体内转动的阀转动体564。阀转动体564包括多个出口566、568、570和572。阀体562可连接于一栓块(anchor block)574或其它结构，以便固定到阀上。阀体和阀转动体可通过一帽576而保持在一起。阀体562包括出口578、580、582和584。出口578、580、582和584连接于出口件586、588、590和592。阀体出口578、580、582、584还与转动体出口566、568、570、572对齐，使得当阀转动体转动，出口566、568、570和572与阀体出口578、580、582和584对齐时，冷却剂、工作流体或其它流体将流到所需的位置。
阀转动体564可通过连接于曲轴的主轴的定时链齿轮运行而回转。图31所示的实施例包括连接于定时链的链轮(sprocket)。可用其它类型的阀包括凸轮/推杆/摇臂定时机构而不是旋转阀机械控制本发明中的流体流量。还可用电气螺线管(电磁)阀控制流体的流量。任何其它的阀也可用来引导本发明的流体的流量。此外，诸如图31所示的旋转阀可包括在本发明的任何发动机中。
本发明的热力液压发动机包括一具有若干彼此独立运行的活塞的发动机曲柄***。在一般的串联、V型或径向设计的发动机中，每一活塞机械连接于其它活塞的一个。内燃机使用这种机械连接将废气推出发动机，将新鲜气体拉进活塞腔，并在燃烧之前使气体加压。但是，在本发明的热力液压发动机中不太需要机械连接。例如，如果液压缸包括两个孔口，所有活塞的机械互连都不必要了。这种***中的活塞的返回一般大部分是通过活塞相对侧加压来实现的。这种返回机构也可向曲轴提供驱动动力。
本发明可采用一种曲轴，它通过一能在曲轴周围沿返回方向自由滑动、在朝前或驱动方向锁定曲轴的自由释放臂机构(free releasing arm mechanism)而回转。图32-35示出了这样一种曲轴的例子。图32-35中所示的曲轴包括一棘轮式机构。图32-35所示的轴可与多个曲柄臂联合使用，以提供一持续回转的轴。
图32示出一连接于曲轴589的曲柄587。曲轴589包括一容纳一部分曲柄587的凹陷部591。从图32中可以看到，曲柄587将使轴589转动到曲柄587滑出凹陷部591为止。最好是，曲柄臂587在某一位置不再与凹陷部591接合，使得该活塞的动力基本上和完全地传到曲轴589，而该位置基本上在连接于曲柄587的一活塞动力行程结束端的附近。然后，当活塞在其回程中，曲柄587沿曲轴589的表面运动。当活塞重新开始其动力行程时，曲柄臂587随后开始沿曲轴的表面往回运行，直到它与一凹陷部接合。
图33示出了棘轮式曲轴的一个实施例，它示出了在活塞整个动力循环中的曲柄的位置。图34表示包括一棘轮式运动机构的液压缸、曲柄和曲轴的一个实施例。图34还示出了在活塞运动过程中的曲柄的各个位置。
图35示出采用棘轮式机构的曲柄和曲轴的另一实施例。图36示出一曲柄力矩臂，它包括诸加强筋599，以加固曲柄力矩臂，以便更进一步确保它能承受本发明所产生的大的压力。
热量不是依靠热交换器，而是可直接给予工作流体。图27示出了本发明热力液压发动机的一实施例的一个例子，它包括将热量直接传送到工作流体。图27所示的实施例包括四个径向排列的液压缸。发动机包括一位于中心的旋转阀360，每一液压缸连接于该旋转阀360。每一液压缸也连接于一直接给予热量的工作流体储箱。
工作流体直接加热，不采用热交换器，它不使用将热量从热源传递到工作流体的被加热的液体。直接传递的方法是用热源直接加热工作流体。应该知道，使用热交换器没有热量损失。
图28提供了用在采用直接热传递的热力液压发动机中的工作流体容器一实施例的一个例子。图28所示的工作流体容器或储箱包括一细长管348。虽然工作流体容器可以是任何所需的形状，但它相对于容积包括大面积的表面，以便增加向工作流体的传热速度。
图28所示的工作流体容器的实施例包括一20英尺长的管子，它的直径为4英寸，用“Schedule 80”的管子制成。管子可包括一组件350，以将管子连接到管道，从而将工作流体储箱连接于到液压缸。图29示出图28所示的管子的端视图，它示出了一凸缘352。凸缘352包括多个孔354，以便用诸螺栓357将凸缘连接到另一凸缘上，从而连接一管道，再连接到液压缸。
图27和28所示的工作流体储箱的实施例还包括***管子348的冷却装置358。一冷却流体可导入管道358以冷却工作流体。管道358可与旋转阀360互连，以将冷却流体引导到相应的工作流体储箱中。
为了适用某些工作流体所固有的高压，冷却流体管道356最好是由能承受高压的材料制成。在一个实施例中，采用3/4英寸高压钢输送管。虽然工作流体的压力可以是高的，而冷却剂的压力可以是低的，例如在一个实施例中，冷却剂的压力从约32到约80磅/英寸2。
图30示出了工作流体储箱、冷却剂管道359、凸缘352和353、衬垫355和螺栓357之间的连接的放大剖视图。
在图27所示的实施例中，各工作流体储箱362、364、366、368分别放置在一抛物面太阳热收集器370、372、374和376内。太阳热收集器将热量给予工作流体。当工作流体膨胀时，它就驱动液压缸。
在适当的时间，旋转阀360将冷却剂引入各工作流体储箱中。当冷却剂通过工作流体储箱循环时，它即被加热。被加热的冷却剂导入热冷分离器378。为了加大由太阳热收集器给予工作流体的热量，本发明可使被加热的冷却剂引导通过冷却剂管道356。热冷分离器378最好使来自工作流体储箱中的经膨胀的冷却剂流与排出工作流体液压缸的经收缩的冷却剂分离。
热量可从热交换器380中的冷却剂中提取。冷却剂中的热量可储存在热存储装置382中。
冷却剂的流动可由多个泵控制。图27所示的实施例包括一将冷却剂从热交换器380导向旋转阀360的液压发动机冷却剂泵(hydraulic motor coolantpump)384。液压发动机冷却剂泵384由热力液压发动机驱动。
本发明还包括液压发动机热再循环泵386。液压发动机热再循环泵386可将冷却剂从热存储装置382抽到旋转阀360。液压发动机热再循环泵386也由热力液压发动机驱动。
图27所示的热力液压发动机的实施例用来驱动一液压泵(未示出)。管道390和392是为了将来自热力液压发动机操作的液压泵的液压流体导向各个需要由热力液压发动机驱动的负荷。如上所述，在图27所示的实施例中，液压发动机冷却剂泵384、液压发动机热再循环泵386和水泵388都由热力液压发动机驱动。线路390和392的箭头指示液压流体流到负荷的方向。
可通过将管道394和396中的水分别抽入由水泵388抽的水中来增强热交换器380的运行。
本发明的热力液压发动机可做成任何尺寸。例如，从用在诸如生物力学应用中各场合中的很小的发动机到大的兆瓦发电设备均可采用本发明的热力液压发动机。事实上，热力液压发动机可被设计成用于需要机械能动力的任何应用场合中。
一很小的发动机包括直径约在0.5厘米至1厘米的若干活塞。这种发动机包括尺寸约为一般体温计的工作流体储箱。事实上，这种发动机可采用在人体温度左右的热量作为热源。用一外蒸发***提供冷却。这样一种发动机可用在人体和其它物体中。这种发动机的一个使用例子是作为一心脏泵。应用的另一个例子是激素注射。例如，这种发动机可用于淋巴***衰退的人中。这样一种发动机可提供例如从约0.01马力至约0.1马力。
在使用范围的另一端，在本发明的范围之内可做成很大的发动机。例如，可产生约350兆马力的发动机可提供约500兆瓦的发电能力。这样一种发动机可采用直径约为48英寸至约96英寸的活塞。发动机可置入重的加固的混凝土和钢结构中。
能抽水的发动机能产生约10、约50、约200的马力或在它们之间的任何大小的马力。
图37示出驱动一个马力水泵的本发明热力液压发动机的一实施例。膨胀工作流体的热量由一抛物面太阳热收集器400提供，太阳热收集器最好包括一跟踪太阳运动的装置402。工作流体送到发动机406。发动机406产生的动力由传送装置408传送到泵409。本发明可包括控制冷却剂流动的控制装置410。发动机还可包括提供动力的电池412。
图38示出太阳热收集器400的俯视图。图37和38所示的发动机包括直接热量热交换器管(direct thermal heat exchange tube)414。也可提供一光电板416，为本发明的某些方面诸如跟踪控制和冷却控制提供电能。
图39示出具有平衡块的季节性跟踪链装置的一个实施例，该装置用来使太阳热收集器阵列(solar array)在全年中在正确的位置倾斜。图39所示的实施例包括链装置600、电动机602和平衡块604。电动机是一种合适的电动机。例如，电动机可以是一种高转矩、低转速、12伏的直流电动机。图39还示出太阳能收集器阵列的正常位置606。阵列可绕枢轴608枢转。枢轴由一铰链或其它可枢转的装置提供。
图40示出本发明热力液压发动机的一实施例，它采用了电热作为一热源将热量给予工作流体。图40所示的实施例包括四个径向排列的液压缸。图40还示出了用来增加发动机所发的动力的传动装置。
图40所示的实施例包括诸工作流体储箱720，该储箱包括直径为4英寸长为24英寸的管子。制冷剂通过工作流体在3/4英寸输送管700中循环。热量由可采用120V交流电的电热装置718提供。冷却剂流体储箱被一2英寸的焊接颈状凸缘(welded neck flange)724所封闭。
图40所示实施例中的液压缸710、712、714和716中的活塞702、704、706和708的直径为2英寸，长为8英寸。活塞702、704、706和708的外径是4英寸。液压缸径向排列，如图27所示的实施例。
图40还示出了一起标记为722的多个齿轮和连接带或链，用来传递热力液压发动机所产生的动力。
图41示出了图40所示的发动机的另一视图。
图43示出了本发明热力液压发动机的一实施例，它包括一无源太阳热收集器900。软管902和904将太阳热收集器连接到一双动液压缸906。发动机用来抽取井中的水。
图44示出了本发明的一液压缸、活塞和曲柄的又一实施例。
前述说明图示和描述了本发明。此外，公开的内容仅仅示出和描述了本发明的较佳实施例，但如上所述，应理解本发明可以使用各种其它的组合、改变和环境，在本文所述的本发明的原理、与上述内容同等和/或相应领域的技巧或知识的范围之内还可对本发明进行改变。上述实施例还说明了实施本发明的已知的最好方式，还能够使本领域的其它熟练人员在这些或其它实施例中采用本发明，以及本发明的特定应用或使用所需的多种改变。因此，上述说明不是用来限制本文所公开的本发明。还有，所附的权利要求书被认为包括可供选择的实施例。
Claims (18)
1.一种热力液压发动机，包括：
一框架；
一体积随温度变化的工作液体；
一用于容纳所述工作液体的工作液体容器；
一固定于所述框架并包括一内部空间的液压缸，所述液压缸还包括一用于将工作液体引入内部空间的通道；
一容纳在所述液压缸的所述内部空间内的活塞，所述液压缸的内部空间、所述活塞和所述工作液体容器限定了一个由工作液体充填的封闭空间；
一连接于所述活塞的连接杆；
一连接于所述连接杆的曲轴；以及
用于可控制地对工作液体传送和除去热量的装置，从而使工作液体在不发生相变的情况下周期性地交替膨胀和压缩，所述活塞直接响应所述工作液体的膨胀和压缩而移动。
2.如权利要求1所述的热力液压发动机，其特征在于，它还包括：
一位于所述工作液体容器和所述液压缸的所述内部空间之间的工作液体传送部分，所述工作液体容器、所述工作液体连接部、所述液压缸的所述内部空间以及所述活塞一起限定了一个由所述工作液体充填的封闭空间。
3.如权利要求1所述的热力液压发动机，其特征在于，它还包括：
多个液压缸，其中每个液压缸均容纳一活塞、多个连接于所述液压缸的工作液体容器、以及多个连接于所述工作液体容器和所述液压缸的传热装置。
4.如权利要求1所述的热力液压发动机，其特征在于，它还包括用于将所述液压缸安装于所述框架的装置，所述安装装置可允许所述液压缸相对于所述框架滑动和作活节运动，所述安装装置包括一设置在所述液压缸上的连接杆，所述连接杆以活节固定于一可滑动地安装在所述框架上的构件，所述可滑动构件可在垂直于和所述连接杆连接的所述曲轴的方向上滑动。
5.如权利要求1所述的热力液压发动机，其特征在于，它还包括一围绕所述工作液体容器的水套，所述水套包括一用于使不同温度的水进出的开口，以便对通过所述热交换器的工作液体施加或除去热量。
6.如权利要求1所述的热力液压发动机，其特征在于，它还包括：
一凸轮轴，所述凸轮轴的移动由所述曲轴控制，并且可以控制阀的开和闭或者是可启动电磁阀的微型开关的开和闭，以便控制对所述工作液体传送和除去热量。
7.如权利要求6所述的热力液压发动机，其特征在于，所述连接杆以活节连接于所述活塞。
8.如权利要求6所述的热力液压发动机，其特征在于，所述连接杆固定地连接于所述活塞，而所述液压缸以活节安装在所述框架上。
9.如权利要求6所述的热力液压发动机，其特征在于，它还包括：
用于使所述曲轴速度提高或增大的传送装置。
10.如权利要求6所述的热力液压发动机，其特征在于，它还包括：
至少一个位于所述活塞外表面和所述液压缸的所述内部空间的内表面之间的密封件。
11.如权利要求1所述的热力液压发动机，其特征在于，所述传热装置能将所述工作液体的温度升高到大约120°F至140°F的高温，并且可以将所述工作液体的温度降低至大约70°F至85°F的低温。
12.如权利要求1所述的热力液压发动机，其特征在于，所述传热装置能将所述工作液体的温度升高到大约80°F至200°F的高温，并且可以将所述工作液体的温度降低至大约35°F至140°F的低温。
13.如权利要求1所述的热力液压发动机，其特征在于，它还包括：
两个连接于所述活塞相对两侧的连接杆；以及
两个曲轴，分别连接于所述的每个连接杆。
14.如权利要求1所述的热力液压发动机，其特征在于，所述活塞和所述液压缸的内部空间限定了两个由所述工作液体充填的封闭空间，所述液压缸还包括：
一位于所述液压缸第一端附近的主入口；
一位于所述液压缸第二端附近的次入口；
用于密封所述液压缸和所述连接杆之间的空间的装置；
所述热液力发动机包括至少一个位于所述活塞外表面和所述液压缸的所述内部空间的内表面之间的密封件；
其中，所述工作液体的膨胀用来使所述活塞沿相反的方向交替地移动。
15.如权利要求1所述的热力液压发动机，其特征在于，所述工作液体是受压的。
16.如权利要求1所述的热力液压发动机，其特征在于，它还包括用于将所述液压缸安装于所述框架的装置，所述安装装置可允许所述液压缸相对于所述框架滑动和作活节运动，所述安装装置包括一设置在所述液压缸上的连接杆，所述连接杆活节固定于一可滑动地安装在所述框架上的构件，所述可滑动构件可在平行于所述液压缸的方向上滑动。
17.如权利要求1所述的热力液压发动机，其特征在于，它还包括至少一个弹簧，用于在与所述工作液体膨胀而导致所述活塞移动的那一个方向相反的方向上偏压所述活塞。
18.一种热力液压发动机，包括：
一框架；
一体积随温度变化的第一工作液体；
一用于容纳所述工作液体的工作液体容器；
一设置在工作液体容器一端的柔性隔膜，所述柔性隔膜可响应于所述工作液体内的膨胀和压缩而移动；
一用于容纳与所述柔性隔膜接触的第二工作液体的储器；
用于对所述第一工作液体传送和除去热量的装置，从而使工作液体交替地膨胀和压缩，所述第一工作液体的膨胀和压缩可导致所述柔性隔膜移动，所述柔性隔膜的移动可导致所述第二工作液体移动；
一固定于所述框架并包括一内部空间的液压缸，所述液压缸还包括一用于将所述第二工作液体引入所述内部空间的通道；
一容纳在所述液压缸的所述内部空间中的活塞，所述工作液体储器、所述液压缸的所述内部空间和所述活塞一起限定了一个由所述第二工作液体充填的封闭空间。
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