液态空气发动机和液态空气发动机操作方法，以及发动机操作方法及空气液化方法和系统与流程

本发明涉及液态空气发动机、操作液态空气发动机的方法和液化空气的方法。

背景技术：

为了将致冷工作流体在其状态从液体变为气体时的容积增加转换成压力，从而将能量提供给能够将气态压力转换成输出轴动力的膨胀式发动机的做功部件，而开发了致冷剂发动机。公认的是，使用容积式机构实现这种将压力转换为动力的发动机非常适合于此目的，因为它们具有在单级膨胀过程中利用大压力范围的能力。最常见类型的容积式发动机使用往复式活塞，该往复式活塞操作曲轴机构以传递轴动力。然而，往复式活塞发动机遭受很大的内部阻力，该阻力主要是由活塞和汽缸之间的摩擦引起的。这给它们在致冷剂发动机应用中的使用上施加了严重的限制，因为，在任何给定尺寸的气缸内由膨胀所释放的能量没有充分大于克服与给定气缸相关联的摩擦所需的能量以提供一种大体可应用的原动机。

已经尝试通过加入来自外部源的热量来补充气缸中的能量供应，以增加来自致冷活塞发动机的功率输出。参见例如us-a-2015/0352940。这里，描述了一种包括致冷剂发动机和发电设备的系统。致冷剂发动机和发电设备彼此关联，以允许致冷剂发动机和发电设备以定义为“协同方式”的方式彼此协同工作。发动机和发电设备彼此机械关联且可选地热关联，使得在致冷剂发动机和发电设备之间共享输出装置，因此这两个系统可以以更节能的方式操作，并且还可以热相互作用以在性能和经济方面存在潜在优势。然而，协同补充能量组合还没有显示出足以仅从致冷剂发动机产生具有比得上甚至接近内燃式活塞发动机的功率密度的活塞驱动发动机，并且还增加了显著的成本。

技术实现要素：

根据本发明的第一方面，提供一种致冷剂发动机，包括：第一转子，该第一转子能够绕第一轴线旋转并且在其外缘具有由弯曲表面界定的凹部；以及第二转子，其能够绕平行于所述第一轴线的第二轴线相对于所述第一转子反向旋转，并且具有由弯曲表面界定的径向凸叶，第一转子和第二转子关联以相互啮合地旋转，其中每个部段的第一转子和第二转子相互啮合成使得，当它们旋转时，限定可变容积的过渡室，该过渡室在凹部表面和凸叶表面之间具有逐渐增加的容积；致冷剂注入器，其被布置成一旦已经形成过渡室就将致冷流体装料注入过渡室中，使得致冷剂的膨胀驱动发动机。致冷剂注入器优选被布置成提供接近环境温度的处于超临界气态的致冷流体装料。

通常，该装料可具有高达5cc的容积。优选地，该装料将为约3cc，最优选地，该装料将为约1cc。

提供了一种致冷剂驱动的发动机，其克服了与已知致冷剂发动机相关的问题，例如上面提到的以及例如在us-a-2015/0352940中描述的那些问题。提供的转子包括：第一转子，该第一转子能够绕第一轴线旋转并且在其外缘具有由弯曲表面界定的凹部；以及第二转子，该第二转子能够绕平行于所述第一轴线的第二轴线相对于所述第一转子反向旋转，并且具有由弯曲表面界定的径向凸叶，第一转子和第二转子关联以相互啮合地旋转，其中每个部段的第一转子和第二转子以使得如下的方式相互啮合：当它们旋转时，限定可变容积的过渡室，该过渡室在凹部表面和凸叶表面之间具有逐渐增加的容积意味着：与已知的致冷剂容积式发动机相比，相互作用的转子表面之间的摩擦被有效消除或至少显著减小。

优选地，提供容积式膨胀的成对转子彼此之间没有接触或者与它们的定子壳体没有接触。没有机械摩擦，结合简单的旋转设计，有助于在高转速下运行。

在一些实施例中，在每个转子的每个完整旋转循环期间发生多个膨胀过程。相互作用的膨胀循环的持续时间短(例如主转子大约旋转90度)也促进单独膨胀循环的频率高。这使得实现的功率密度能够大大超过用ic发动机可能达到的功率密度(以每单位工作膨胀容积的功率输出来测量)。这是可能的，因为尽管每个循环释放的膨胀能量远小于燃烧膨胀释放的能量，但可以通过非常高的循环频率来补偿。

转子的尺寸可以根据需要确定，但是通常它们的直径在80mm至150mm之间，更优选在100mm至130mm之间。在一示例中，转子直径约为110mm。凹部深度和凸叶长度通常将约为转子半径的60-95％，这取决于转子轴直径，转子直径可根据具体发动机设计而变化。转子的长度也可以根据设计而变化，但是优选地在70mm至140mm之间，更优选地在90mm至120mm之间，并且在具体示例中为100mm。

从膨胀容积容量为1200cc并且以6000rpm的最大转速运转的现代增压汽油发动机输出的功率可能会产生约100hp，而具有相同膨胀容积的根据本发明的致冷剂发动机能够以20000rpm运转并且产生约2000hp。

优选地，致冷剂发动机包括用于在运转期间向发动机提供热量的热源。

优选地，热源是过热水。

提供过热水形式的热源是有利的，因为这意味着可以根据需要容易地将精确计量的水装料注入到发动机的工作腔中，以确保整体上提供所需量的热量以产生大体等温循环。这意味着可以避免通常在其他类型的发动机(诸如，内燃机)中出现的热应力。

可以使用例如注入器(诸如，电控注入器)精确地控制或计量作为发动机的输入或“装料”提供的致冷剂或过热水的容积。

优选地，致冷剂发动机包括至少一个过热水注入器，所述至少一个过热水注入器被布置成一旦已经形成过渡室就将定量的过热水注入到所述过渡室中，以使得所述循环的膨胀阶段基本上是等温的。优选地，布置多于一个过热水注入器以在操作循环期间将定量的过热水注入到过渡室中。使用多于一个的过热水注入器意味着可以根据需要精确地控制和/或改变提供给过渡室的热量的位置和量。这还意味着可以控制热量注入的精确位置，以匹配热量需求分布，以确保实现整个等温过程，并且还意味着精确地控制发动机内部空间或容积的温度分布并且维持其基本均匀或平坦。在下面的图5b和图6中示出的两个过热水注入器的实际位置仅是示例性的。

优选地，致冷剂发动机包括致冷剂源。

优选地，致冷剂源是用于储存液体致冷剂的储罐。

优选地，致冷剂发动机包括用于将致冷剂泵送到致冷剂注入器的高压泵。

优选地，高压泵设置在例如储罐内部，例如，浸没在储罐内部。将致冷泵设置在储罐内意味着避免了泵的隔热问题。

优选地，高压泵邻近储罐设置。

优选地，发动机包括端壁，该端壁包围转子的轴向端部，并且其中端壁中的一个具有端口，其被定位成用于在膨胀循环期间在首次限定过渡室之后立即将致冷剂输送到可变容积的过渡室。

优选地，该端口被定位成在构建容积可变的过渡室之后在转子首次旋转0-10度期间将致冷剂输送到可变容积的过渡室。

优选地，端壁具有至少两个端口，并且其中一个端口被布置用于在膨胀循环期间向可变容积的过渡室提供致冷剂，而另一个被布置用于向可变容积的过渡室提供加热的液体。

优选地，为膨胀循环提供定量的致冷剂和加热的液体，以确保整个膨胀循环是等温的。

根据本发明的第二方面，提供了一种操作致冷剂发动机的方法，该方法包括：在发动机中，该发动机包括第一转子，该第一转子能够绕第一轴线旋转并且在其外缘具有由弯曲表面界定的凹部；以及第二转子，该第二转子能够绕平行于所述第一轴线的第二轴线相对于所述第一转子反向旋转，并且具有由弯曲表面界定的径向凸叶，所述第一转子和第二转子关联以相互啮合地旋转，其中每个部段的第一转子和第二转子以使得如下的方式相互啮合：在其旋转时限定可变容积的过渡室，该过渡室在凹部表面和凸叶表面之间具有逐渐增加的容积；一旦过渡室形成，就将定量的超临界状态的致冷工作流体注入过渡室，从而使致冷剂膨胀来驱动发动机。

优选地，该方法包括在注入致冷剂的同时或之后立即将定量的加热流体注入膨胀室中，以在过渡室内实现等温膨胀。

优选地，该方法包括操作根据本发明的第一方面的发动机。

根据本发明的第三方面，提供了一种液化空气的方法，该方法包括提供液化系统，该液化系统至少包括第一动力管线和第二动力管线，其中第一动力管线具有至少一个压缩机级和至少一个膨胀机，并且被布置成压缩空气然后使空气膨胀，以提供液态空气的产物流，并且其中，第二动力管线具有至少一个压缩机级和至少一个膨胀机，并且布置成提供用于第一动力管线的冷却剂流，该方法包括：在第一动力管线中，接收空气流；在压缩机中压缩接收到的空气，该压缩机具有第一转子和第二转子，该第一转子能够绕第一轴线旋转并且在其外缘具有由弯曲表面界定的凹部，第二转子能够绕平行于所述第一轴线的第二轴线相对于所述第一转子反向旋转并且具有由弯曲表面界定的径向凸叶，第一转子和第二转子关联以便相互啮合地旋转，其中每个部段的第一转子和第二转子以使得如下的方式相互啮合：当它们旋转时，在在凹部表面和凸叶表面之间限定容积逐渐减小的过渡室；以及从经压缩空气中去除热量；将冷却的经压缩空气提供给膨胀机，并且使空气膨胀，从而引起空气温度下降并液化空气，其中，膨胀机具有第一转子，该第一转子能够绕第一轴线旋转并且在其外缘处具有由弯曲表面界定的凹部；以及第二转子，该第二转子能够绕平行于所述第一轴线的第二轴线相对于所述第一转子反向旋转，并且具有由弯曲表面界定的径向凸叶，第一转子和第二转子关联以相互啮合地旋转，其中每个部段的第一转子和第二转子以使得如下的方式相互啮合：当它们旋转时，在凹部表面和凸叶表面之间限定容积逐渐增加的过渡室。

优选地，第二动力管线具有串联布置的两个或更多个压缩机级，并且其中，该方法包括在将多个压缩机级中的一个或多个压缩机级的输出处的经压缩空气提供作为下一个压缩机级的输入之前，去除所述经压缩空气中的热量。

优选地，第二动力管线具有串联布置的两个或更多个压缩机级，并且其中，该方法包括在多个压缩机级中的一个或多个压缩机级的输出处的经压缩空气提供作为下一个压缩机级输入之前，去除经压缩空气中的热量，并且其中该方法包括：将来自第二动力管线的压缩机的经冷却空气关联到一个或多个换热器，从而在第一动力管线中提供对经压缩空气的冷却。

优选地，该方法包括提供多条第二动力管线，并且将来自第二动力管线中的每个的膨胀机的经冷却空气关联以向第一动力管线提供冷却。

优选地，每条动力管线内有至少三级压缩机，并且它们被布置成提供2：1至8：1，优选3：1至6：1，更优选4：1的压缩比。

根据本发明的第四方面，提供了一种用于液化空气的系统，该系统包括：第一动力管线，该第一动力管线具有压缩机，该压缩机具有第一转子和第二转子，该第一转子能够绕第一轴线旋转并且在其外缘具有由弯曲表面界定的凹部，该第二转子能够绕平行于所述第一轴线的第二轴线相对于所述第一转子反向旋转并且具有由弯曲表面界定的径向凸叶，该第一转子和第二转子关联以相互啮合地旋转，其中每个部段的第一转子和第二转子以使得如下的方式相互啮合：当它们旋转时，在凹部表面和凸叶表面之间限定出容积逐渐减小的过渡室；以及换热器，其用于从经压缩空气中去除热量；膨胀机，其被布置成使空气膨胀从而引起空气温度下降从而液化空气，其中膨胀机具有第一转子，该第一转子能够绕第一轴线旋转并且在其外缘具有由弯曲表面界定的凹部；以及第二转子，其能够绕平行于所述第一轴线的第二轴线相对于所述第一转子反向旋转并且具有由弯曲表面界定的径向凸叶，第一转子和第二转子关联以相互啮合地旋转，其中，每个部段的第一转子和第二转子以使得如下的方式相互啮合：当它们旋转时，在凹部表面和凸叶表面之间限定容积逐渐增加的过渡室。

优选地，第二动力管线具有至少一个压缩机级和至少一个膨胀机，并且被布置成为第一动力管线提供冷却剂流。

优选地，第二动力管线具有串联布置的两个或更多个压缩机级，并且其中该系统具有一个或多个换热器，所述一个或多个换热器被配置成用于在多个压缩机级中的一个或多个压缩机级的输出处的经压缩空气被提供作为第二动力管线的膨胀机或下一个压缩机级的输入之前，去除所述经压缩空气中的热量。

优选地，提供了2条或更多线第二动力管线，其被布置成为第一动力管线提供冷却。

在用于液化空气的系统中，应理解的是，提供了多条动力管线，并且在每条动力管线内提供了至少一个膨胀机和至少一个压缩机。优选地，系统内的所有膨胀机和压缩机均为本文所述的低摩擦旋转类型。

通过将在系统内使用的所有旋转装置提供为上述的低摩擦类型，可以使整个系统的摩擦损失最小化，并且可以使效率最大化。

它们中的一个或多个可能不是(只要其中至少一个是即可)。优选地，在第一动力管线内，至少压缩机(或在提供多个压缩机的情况下，至少一个压缩机)是具有第一转子和第二转子的类型。第一转子能够绕第一轴线旋转并且在其外缘具有由弯曲表面界定的凹部，并且第二转子能够绕平行于所述第一轴线的第二轴线相对于所述第一转子反向旋转，并具有由弯曲表面界定的径向凸叶，第一转子和第二转子关联以相互啮合地旋转。第一转子和第二转子以使得如下的方式相互啮合：在其旋转时限定了可变容积的过渡室，该过渡室在凹部表面和凸叶表面之间具有逐渐增加的容积。优选地，膨胀机也具有这种总体形式，尽管当然在使用中，过渡室将被布置成在转子相互作用的循环期间容积增大。

附图说明

现在将参考附图详细描述本发明的实施例，其中：

图1是发动机和能量供应系统的示意图；

图2是发动机和能量供应系统的另一个示例；

图3至图7示出了在膨胀循环期间发动机内的凸叶以及转子和凹袋型转子的位置的示意图；以及

图8示出了用于液化空气的系统的示意图。

具体实施方式

图1是包括液态空气发动机7和液态空气源1的发动机系统的示意图。液态空气源1内的液态空气用作能量供应。如下所述，该系统提供了一种用于当致冷工作流体从液体状态变为气体状态时将致冷工作流体的容积增加转换为压力以提供能量来驱动发动机的简单有效的方法。该描述涉及致冷剂或涉及液态空气。应理解的是，本文描述和要求保护的方法和系统更普遍地应用于致冷流体，并且不具体限于液态空气。

在本文描述的示例中，使用具有特定类型和构造的膨胀室的旋转式发动机，但是应当理解，该方法和发动机不限于仅使用这种膨胀室。该方法并非对于具有膨胀室(例如wo-a-91/06747中描述的旋转装置的膨胀室)的发动机尤其有效，wo-a-91/06747的全部内容通过引用结合于此。该旋转装置具有：第一转子，该第一转子能够绕第一轴线旋转并且在其外缘具有由弯曲表面界定的凹部；以及第二转子，该第二转子能够绕平行于第一轴线的第二轴线相对于第一转子反向旋转，并且具有由弯曲表面界定的径向凸叶。这些转子相互啮合，使得在旋转时，在它们之间限定逐渐增加容积(或如果用作压缩机则逐渐减小)的过渡室。

图1的系统包括用于储存诸如液态空气的致冷流体的绝热容器1。设置了液态空气发动机7，该液态空气发动机7被布置成接收诸如液态空气的致冷剂，该致冷剂已经被加热从而在其经由注入器6被引入发动机7中时是超临界的，该注入器6可以是电控型注入器。技术人员将能够从可商购的电控型流体注入器中选择用作本系统的注入器。如上所述，通常，提供给发动机的过渡室的致冷剂装料体积可以至多5cc，但优选将为约3cc或约1cc。

提供换热器3，通过该换热器3经由致冷泵2泵送液态空气。在一个非限制性示例中，致冷泵2浸没在储器1中。在另一示例中，泵2设置在储器的外部但紧邻储器。如果将泵设置在储器的外部，则泵2本身将被设置为具有有效的隔热作用，以防止致冷剂蒸发。泵2被构造成从而能够维持在200巴至400巴之间，优选地约为350巴的恒定输送压力，并且还从而不允许任何反向流动。

设置了高压导管24，该高压导管24使得加压的液态空气能够通过换热器3并且进入注入器6。导管24可以是合适的耐高压材料的管道或管子。换热器3包括一定量的防冻液4，诸如循环通过散热器5的乙二醇或丙二醇。散热器5被周围空气流加热。换句话说，由于散热器5用于吸收周围空气中的热量，而不是将热量散发到大气中，因此可以认为是反向运行。选择或配置换热器的容量，以使得工作流体在其从换热器3的出口处达到非常接近局部环境温度的温度。例如，在一个示例中，换热器被布置成提供大约10-30摄氏度的温度的工作流体，或在其他示例中，可以在-10摄氏度到+40摄氏度之间的温度范围提供工作流体。

在高压导管24中连续行进，工作流体然后被输送到电控型注入器6，以被脉冲式地直接输送到发动机7的容积变化的过渡室中，这将在下面更详细地描述。

旋转式发动机7具有输出轴26，该输出轴26可以关联至系统8。系统8可以是功率传输介质，其可以是用于输送电力的发电机，用于车辆推进的传动系统或实际上是可能需要输入旋转动力的任何类型的系统。

致冷发动机采用新颖的方法从液态空气工作流体装料中释放压力能。绝热的储储存器优选地包含通过换热器的内部高压通道的该工作流体。经过换热器外部通道的环境空气在换热器出口处将工作流体加热到接近环境温度，这直接通向安装在发动机端壁上的电控注入器，并防止了工作流体沿正向流动方向膨胀。

但是，也优选例如通过位于储器下游的致冷泵防止沿负方向的流动，该致冷泵仅支持沿正方向流动，同时将压力保持在例如250-400巴(优选在约350巴)，该压力当被收集在压力容器中的液态空气被加热到环境温度时自然产生。这意味着，当工作流体通过换热器时，其温度和压力会超过临界温度(约130k)，此后，它作为超临界流体在约350巴的压力保持气态，并且在这种状态下，在接近环境温度被提供给注入器。

参照图2，以与图1相同的方式对与图1的系统共有的部件进行编号。可以看出，除了图1所示的系统的部件之外，图2的系统还包括用于将过热水注入发动机7的封闭子系统27。通常，由系统27提供的水大约在150摄氏度的温度以过热状态被提供给发动机。

系统27包括换热器11，该换热器11被布置成通过与储器或冷凝器9连通的高压泵10来接收水。可以使用任何合适的高压泵，只要它能够以150巴至250巴的压力提供水即可。设置注入器12以用于将定量的过热水受控地注入到发动机7中。注入器被布置成将过热水注入到发动机7，如下面将更详细地解释的，与从储器1提供的超临界空气结合或与从储器1提供的超临界空气穿插。

超临界空气在发动机7的过渡室中膨胀的冷却作用导致水在离开发动机7的过渡室时在很大程度上冷凝。该过程可以在冷凝器9中完成，其中液态水汇集，然后在泵10中被加压，以提供给换热器11以供过热。

与超临界环境温度工作流体空气一起向发动机7注入或更通常地提供过热水作为热源，其因此确保工作流体空气在其工作并且驱动发动机7时等温膨胀。因此，通过控制提供给发动机7的过热水和超临界空气的相对量，可以实现基本等温的过程。这是非常重要的因素，因为这意味着即使在最大功率下运行时，也可以最小化或完全避免发动机内部的部件(例如，转子、轴承、轴等)上的热应力。这与其他类型的发动机(诸如内燃机)形成鲜明对比，在内燃机中，热应力在运行过程中可能非常明显，并且随着发动机功率输出被驱动到最大容量而变得更大。

此外，例如，经由过热水的介质添加热量，在发动机运行循环期间为发动机提供了额外的能量。实际上，在实施例中，所添加的热量接近占发动机的功率输出的超过30％。在一些实施例中，所添加的热量甚至占发动机的功率输出的更多，例如占发动机功率输出的40％甚至45％或50％。因此，添加过热水具有许多协同有益的作用。它不仅可以用于提供等温能量转换过程，而且可以显著增加发动机的功率输出。

在某些应用(诸如，运输应用)中使用时，可以使用可替选热源来实现发动机中的等温膨胀。如果希望避免使用传热油(如可以在图2中的换热器11中使用)，则可以收集来自车辆通过的周围空气的有用热量。在一个示例中，提供了环境加热水的储器(未示出)，环境加热水以细雾化的液滴的形式被注入到过渡室中。液滴将热量传递到发动机过渡室中的迅速冷却的膨胀空气中，并且在出口处收集为冷凝的冷水，冷凝的冷水然后可以在系统中被进行再循环。环境加热水通过富含环境空气的换热器(也未示出)接收其热量。

在某种程度上，这类似于对上述液态空气的加热。在加热液态空气的情况下，换热器4和5用于接收来自环境空气流的热量。在加热用于注入到发动机的水的情况下，可以再次使用环境空气流作为热源。提供了可以与用于液态空气的换热器4和5相同的换热器(或完全不同的专用换热器)，该换热器被布置成接收能够充分加热水以用作发动机中的热源的环境空气流。该子系统可以由车辆上较小来源的有限储存热量输入(电子加热器)来补充。

现在将参考单个操作循环来描述能量转换过程，通过该能量转换过程，来自源1的致冷空气中储存的能量被转换成来自发动机7的旋转输出。如上所述，可以使用任何合适的发动机硬件来提供能量转换，但是用于能量转换装置的特别理想的形式是wo-a-91/06747或wo-a-2011/073674(其全部内容通过引用合并于此)中描述的类型的旋转式发动机。在这两个国际专利申请中描述的类型的旋转装置的特别优点是，限定发动机的可变容积的过渡室的凸叶和凹型转子的表面之间的低摩擦或零摩擦。这与其他类型的发动机，诸如常规活塞发动机，形成鲜明对比。

参照图3，可以看出，设置了一对转子13和14。凸叶转子13被设置并且布置成逆时针旋转，并且凹型转子14被设置并且布置成与凸叶转子以相互啮合的方式沿顺时针方向旋转。可以理解，图3所示的视图代表了在膨胀循环期间的初始阶段时凸叶转子和凹袋型转子的位置，就好像它们是通过发动机的透明端壁观察到的一样。用于超临界空气和过热水的注入输送点的位置表示相应注入器的端口或输送孔的相对位置，并且在安装在发动机端壁中的适当位置。还应当理解，所示的转子轴向地延伸到页面中，并且在图中可以看到的仅是端视图。因此，在凸叶和凹部之间形成并呈现为二维形状的间隙实际上延伸到页面中，从而限定了过渡室的容积。转子可以是直的，并且沿其整个轴向长度具有不变的横截面，或者可以沿其长度设置一定程度的扭曲。

膨胀循环的开始是通过在成对转子之间当前相互作用的凸叶和凹袋型组合形成的新的过渡室的开始来发出信号的，如图3所示。在凸叶转子的最初几个旋转角度中，新过渡室的容积增长率将在可能位于wo-a-2011/073674中所公开的转子技术的范围内可行的转子轮廓的设计之间变化。在优选实施例中，转子提供了过渡室，其最大容积增加为在循环开始后最初10个旋转角度所达到的容积的400倍。

如图4所示，在接近环境温度的超临界空气工作流体的输送被定时成发生在过渡室的早期增长阶段，即在凸叶转子最初5度或10度的旋转角度内。在这里，可以看到过渡室15的初始建立。过渡室15完全由凹型转子13和凸叶转子14的表面限定。这与常规的螺杆膨胀机形成对比，在常规的螺杆膨胀机中，外轴向壁在旋转循环中始终形成过渡室的限定壁。

再次参看图4，可以看到，在端视图中，凸叶表面与凹型转子13内的凹部表面之间有两个相互作用的近接触点。这些近接触点当沿转子的轴向长度延伸时将限定泄漏最小的线。因此，过渡室是沿着装置的轴向长度延伸的室。

注入脉冲开始的时刻由来自轴编码器的信号确定，该轴编码器可以作为发动机控制系统的一部分提供，也可以简单地作为凸叶转子轴(未显示)上的控制单元提供。参照注入器6的最大流量，用于发动机的最大扭矩传递的脉冲的持续时间是基于时间的。这与发动机的运行速度无关。对于部分负载运行，脉冲持续时间在与满负载情况下相比负载减少的程度上成比例地缩短。相应地，也使用可变几何系统(这里未示出)以相同比例减小过渡室15的最大容积，该可变几何系统从一开始就可以与这种类型的转子一起使用并且在软件控制下实施。

如以上关于图2所解释的，通过注入器12的过热水的输送也在标准程序控制下进行。优选地，设置两个注入器12用于输送过热水。从第一注入器的输送优选地被定时为在超临界空气的输送完成之后立即发生，或者可以在膨胀循环期间的其他时间从第二注入器12输送。这参考图5可以看到。

图4b示出了在凸叶尖部和凹部表面之间的相互作用区域的放大截面。发动机的端壁上的位置16是注入器6被构造成提供作为工作流体的超临界空气输入的位置。在图4b中可以清楚地看到限定在凸叶和凹部的表面之间的过渡室15。可以看出，在凸叶转子的凸叶的尖端与凹型转子的凹部的表面之间存在最小的间隙。这确保了该装置可以在凸叶和凹部的相互作用表面之间的摩擦基本为零的情况下运行。通常，凸叶和转子表面上的滑动接触点之间的间隙将为10-20μm的数量级，该间隙足够大以避免任何摩擦损失，同时又足够小以避免操作中任何明显的流体泄漏或回流。

在图5中，可以看到过热水的输送是通过注入器12在位置17处发生的。如上所述，这被定时成在超临界空气输送完成之后立即发生。在位置18处设置了第二注入器，该第二注入器被布置成提供过热水注入器的第二脉冲持续时间，并且在实验条件下被确定以确保仅添加足够的热量以在发动机整个速度/负载运行图的整个膨胀循环内实现具有与工作流体的温度历史有关的数据映射的等温膨胀。

参照图6，通过在所讨论的凹部的表面上的近乎接触的两个滑动点可以看出，过渡室15的容积显著增加。由于过渡室15的初始容积非常小，因此实现的膨胀比是显著的。

参照图9，当转子的相对旋转达到该阶段时，膨胀循环实际上已经完成，因此随后的凸叶和凹部对可以在全新膨胀循环开始的情况下开始相互作用。

使用过热水为向膨胀循环提供足够的热量提供了一种有效的手段，从而确保了，空气的膨胀本身不会导致发动机内出现特别低的温度。换句话说，实现了基本上等温的膨胀过程。其他形式的热源可用于在发动机运转期间向发动机提供所需的热量，但是优选过热水，因为这意味着不存在产生不希望的废气或其他此类输出的问题。应当理解，来自发动机的排放流出物将仅仅是空气和水，因此在大气方面完全是良性的。

现在将参考图8来描述空气液化的手段和方法。应当理解，上述发动机和系统将与任何合适的液态空气或致冷液体源一起工作。现在将描述用于产生液态空气的方法和系统。

示出了四条动力管线30、32、34和36，每条动力管线都由电动机38驱动，电动机38被供应能量，所述能量优选地来自剩余的可再生电力。每个电动机38驱动三级压缩机40。这些三级压缩机40中的每一个本身由三个压缩机组成。这些级被标记为“第一级压缩机”、“第二级压缩机”和“第三级压缩机”。在该示例中，每个单独的压缩机由成对的转子形式的装置组成，该装置具有第一转子和第二转子，该第一转子能够绕第一轴线旋转，并且在其外缘具有由弯曲表面界定的凹部；以及第二转子，该第二转子绕与第一轴线平行的第二轴线相对于第一转子反向旋转并且具有由弯曲表面界定的径向凸叶。转子相互啮合，从而在旋转时在它们之间限定容积逐渐减小的过渡室。可以使用其他形式的压缩机，但是上述类型的压缩机工作得特别好。由于凸叶和凹部表面之间的摩擦很小或为零，并且在每个完整的旋转循环中的多个压缩循环，因此压缩机非常高效。

在每个阶段，跨压缩机的压力比约为4：1，并且使用一个或多个换热器42、44和46进行中间冷却，以消除压缩热。可选地，设置储热器74，用于储存从换热器42、44和46收集的压缩热。在所示的示例中，将储热器设置为热油储器，其储存作为传热流体在换热器42、44和46内循环的油。可以使用任何其他合适的储热器或蓄热器，特别要注意的是，在换热器内可以使用任何合适的传热流体。例如，可以使用水或水、油或水溶液的混合物。而且，液体输送介质中的相变装置可以用作常规换热器的替代物，因为与常规换热器相比，它们可能遭受减少的热损失。

在一些实施例中，图8的空气液化的系统或装置被设置成不具有用于储存从换热器42、44和46收集的压缩热的储热器74。例如，从换热器42、44和46收集的热可以简单地排入大气。但是，如上所述，收集的热量在某些方面可以被认为是液化过程的副产物，具有一些重要的用途。特别地，在一些实施例中，热量被用作提供给图2的发动机的热源，如上所述，其显著增加了发动机的能量输出。

另外，例如通过过热水的介质添加热量，在发动机运行循环期间为发动机提供了额外的能量。实际上，在一些实施例中，所增加的热量接近占发动机的功率输出的超过30％。在一些实施例中，所增加的热量甚至占发动机的功率输出的更多，例如占发动机功率输出的40％或甚至45％或50％。因此，添加过热水具有许多协同有益的作用。它不仅可以用于提供等温能量转换过程，而且可以显著增加发动机的功率输出。

在第一级54，环境源空气被压缩并且以4.5巴的压力被输送到换热器42。通常使用传热流体将热量从换热器42中去除并且将热量运送到绝热的储存容器74。可以使用可选的水冷凝器56来干燥空气，然后将其进给到第二级压缩机58。在此阶段，压力增加到20巴，并且压缩热由换热器44去除，并且运送以进行储存，然后压缩空气被输送到第三级压缩机60，在其中压缩空气再次被压缩达到大约80巴的压力，然后被输送到换热器46。在此示例中，这是压缩热被去除、运输和储存的最后阶段。应理解的是，尽管在该示例中在其他实施例中利用了三级的压缩和热交换，但是可以使用更多或更少的级。例如，如果使用四个压缩级，则可以在压缩机之间使用较小的压力增量。

然后将来自第三级换热器或中间冷却器46的气流在80巴的压力和大约环境温度，即优选为290k分成4等份(quartile)。前三等份通过导管62均等地输送到与下部3条动力管线连接的3个膨胀机66中的每一个。这些膨胀机66也优选地形成有上述类型的成对的转子，即，由成对的转子形式的装置组成，该装置具有第一转子和第二转子，该第一转子能够绕第一轴线旋转并且在其外缘具有由弯曲表面界定的凹部，该第二转子能够绕平行于第一轴线的第二轴线相对于第一转子反向旋转，并且具有由弯曲表面界定的径向凸叶，并且其中转子相互啮合，使得在旋转时，在它们之间限定了容积逐渐增加的过渡室。

膨胀机的尺寸和容量被设计成使得它们可以在单个膨胀阶段从80巴的压力膨胀到环境压力，从而产生很大的压降，具有大的冷却能力。

具有80巴压力和接近环境温度的第四等份流量依次通过导管64被引导通过3个换热器48、50和52中的每个，每个换热器都从3条下部动力管线中供应冷的膨胀空气。此三级冷却过程使第四等份压缩空气的温度分别降至190k、140k和105k，同时其压力保持在80巴。然后，来自第四等份的冷流被直接传递到第四膨胀机70中，该膨胀机的形式与前三个膨胀机相似，并且能够在单级中将空气从80巴膨胀到环境压力。正是此容量限制将第四等份料流的压力在其末级膨胀机上游保持在80巴。在操作中，可以操作如图8所示的液化空气的系统，从而每小时提供1.5吨至3.5吨的液态空气。通常，它每小时将提供约2.5吨液态空气。

第4等份料流从80巴膨胀到环境压力会导致其温度降低到其凝结点以下，因此大约76％的该空气被液化并且被储存在一个绝热的储器72中。在非常低的温度，其余24％的气态空气可以通过冷却换热器进行再循环。绝热的液态空气储器72和热油储器74都可以被认为是能量储器，因此其可以以任何期望的方式使用。

根据本发明的膨胀装置中的最终膨胀和液化的过程提供了以下优点：消除了在许多工业液化系统中使用的焦耳-汤姆森阀的需要，并且从所有四个膨胀机回收膨胀的压力能，从而减少了该过程所需的总功率。这是本系统提供并实现的重要优点。尽管主要利用的是来自第二动力管线32、34和36的膨胀机的气体的冷却，从而提供对第一动力管线30内流体的冷却，但是在每条第二动力管线中使用低摩擦膨胀机意味着，除了获得冷却的好处之外，膨胀机还由膨胀气体有效地驱动，从而提供功率输出并减少系统的总功率需求。

在所描述的系统中，应理解的是，提供了多条动力管线，并且在每条动力管线内提供了至少一个膨胀机和至少一个压缩机。优选的是，系统内的所有膨胀机和压缩机都是本文所述的低摩擦旋转类型，但它们中的一个或多个可能不是(只要其中至少一个是即可)。优选地，在第一动力管线内，至少压缩机(或在提供多个压缩机的情况下，压缩机中的至少一个)是具有第一转子和第二转子的类型。第一转子能够绕第一轴线旋转并且在其外缘具有由弯曲表面界定的凹部，并且第二转子能够绕平行于所述第一轴线的第二轴线相对于所述第一转子反向旋转，该第二转子具有由弯曲表面界定的径向凸叶，第一转子和第二转子关联以相互啮合地旋转。第一转子和第二转子相互啮合，使得当它们旋转时，限定可变容积的过渡室，该过渡室在凹部表面和凸叶表面之间具有逐渐增加的容积。优选地，膨胀机也具有这种总体形式，尽管当然在使用中，过渡室将被布置成在转子相互作用的循环期间增大容积。

如本文所述，由于使用优选形式的旋转式压缩机和膨胀机而产生的另一个重要优点是，使得整个过程因而具有很高的可扩展性。这与目前广泛工业可用的系统形成鲜明对比，因为目前广泛工业可用的系统使用涡轮机械来提供实现空气液化所必需的压缩和膨胀。当设计用于大规模应用时，这种系统在产生每单位质量的液态空气使用的功率方面仅能够实现可接受的效率，例如典型的系统能够每天输送600吨液态空气，其中所产生的液态空气的能量转换为0.5kwhrs/kg。相比之下，本文所述的系统能够以从每小时100千克或更低到多达每天600吨的宽范围输出实现相同的能量转换率。这是因为本文所述的压缩机和膨胀机系统实质上是容积式装置，其运行输送性能在很大程度上取决于其过渡室的设计尺寸。

虽然对多个过程中的每个的上述描述仍构成了单个完整循环的所有元素，在该循环中，从地球大气中提取的能量用于对其自身成分(即，环境空气)的状态进行改变，使其转变为达到最大密度并且是能量储存的稳定形式的形式。来自该过程的压缩级的热量也被储存起来，从而有效地重新组合，从而在膨胀发动机中重新产生能量，从而为尽可能广泛的应用领域提供功率。该能量随后返回到大气中以完成循环。

已经特别参考所示出的示例描述了本发明的实施例。但是，应当理解，可以在本发明的范围内对所描述的示例进行变化和修改。