可以不用车架的气动车、气动船和任意形状碳纤维气箱

可以不用车架的气动车、气动船和任意形状碳纤维气箱

本发明提供了一种可以制成任何形状的，用于储存中压和高压流体(气体和液体等)所使用的压力容 器，(以下简称气箱)和应用该气箱制成的各种气动设备，如气动船、气动潜艇、气动飞机、气动车等。 该气箱可由地球上已有的和将来出现任何金属和非金属材料的一种或一种以上的材料制成，具体可制成铁 板的、钢板的、及其它各种合金板的和非金属板的、以及各种内胆外部进行纤维缠绕的其它许多种任意形 状的气箱。气动车包括：气动轿车、气动摩托车、气动自行车、气动公交车、气动火车(气动轨道列车)、 气动地铁列车、气动飞行车、气动三轮车、各种气动货运和客运车辆、各种气动专用车辆等，说到气动车 世界各国都有相关的很多发明，但气动船至今还没有任何国家想到把它制造出来。仅我国自1985年开始至 今的关于气动车的专利申请据本人不完全统计和了解已有近百项，有那么多的专利申请为什么到今天气动 车都没有投入使用，服务于我们的生产生活之中呢？(本发明中的任意形状的气箱指的是球体气瓶和两端 或一端为部分球面体中间为圆柱体的气瓶以外的任何形状的压力容器)

下面我们就来分析一下其深层次的原因，气动车中其行走部分和配套的灯光设备、照明设备、音响设 备、视听设备、空调设备、监控设备、导航系统等设施，各种电动机车和内燃机车辆已做得相当好，我们 可以直接借鉴，气动车的气动马达在工业上的应用，至少也已有几十年历史了，尤其是在易燃易爆的工业 生产环境中应用的更为广泛，我们日常生活中经常能看到的装卸轮胎的气动扳子(俗称风炮)，还有我们 经常使用的气动破碎镐(俗称风镐)、手持式气动搅拌机，气动钻，气动改锥等。气马达最常见的两种是 叶片式和活塞式，从功率上看从几十瓦到几十千瓦，从转数上看从每分钟几百转至万转以上的叶片式和活 塞式气马达都应有尽有，并且对应气马达都配有完善的润滑装备，润滑方式现仍以给油润滑为主，逐步向 不给油润滑的方式发展。气动车和内燃机车相比，由于气马达工作温度特别低，仅为环境温度，不像内燃 机那样会产生上千度的高温，所以它的使用寿命会比内燃机的使用寿命长得多，并且也没有有害气体和温 室气体的排放。气动车和电动机车相比，现在的电动机车多数采用的电池有铅酸电池、锂电池等其充电次 数最长的仅为1千次并且充电耗时，比行使时间长得多，电池的更换和拆解同样造成了能源浪费和环境污 染，铅酸电池充放电也会有，有害气体产生。用电容器充电的电动车虽然充电速度快，充电次数也可以达 到1万次以上，但其体积大容量小，行驶一会就没电了。所以中央电视台新文联播中报道说：“现在我国 国内电动轿车的研发生产企业，他们根本没有任何自己的技术，只是把零件简单的拼合在一起，其核心技 术更无从谈起了，2013年是我国电动轿车的决战年，国家将在这一年决定电动轿车的命运，是禁还是限。 而我们的气动车充气速度是相当快的(气动车的充气速度仅由充气机的功率和气箱容量决定，不像铅酸电 池和锂电池等，对充电电流有严格的限制，加大充电电流会导致电池的损坏)气动车如果以压缩空气作为 动力其排出的还是一成不变的空气，所以它实现了无任何污染的零排放。既然气动车有那么好的发展前景， 为何至今还没有被应用呢？其关键问题就是还没有研发出能为气动车行驶提供一个即美观又有能承受高 压，即能充分利用空间又容量大，即质量轻又使用寿命长的气箱来，那些现在已有的关于气动车的专利申 请，起初只是安装上气马达，连配套的润滑装置都没有，仅在普通的自行车或轿车内上安上了一个小的气 体钢瓶而已，其容量仅为十几升至几十升，走不多远就没气了，车子就无法开动了，根本满足不了实际使 用的需要。我曾多次听在大邱庄上班的朋友讲，在钢厂装卸氧气瓶时由于不小心，瓶阀先着地被摔断，嗖 的一声氧气瓶飞上了天，飞得人们用眼睛都看不到了，最后也不知它掉到什么地方去了。有的水平摆放的 氧气瓶，不小心瓶阀被砸断，高速冲出的气流将正在附近的工作的工人的胳膊给切掉了。所以在自行车、 摩托车、轿车等车辆上直接放置高压气瓶的方案让专家给毙了。那种内部没有将气室分隔开的容器也不 安全，一旦在底部或侧面撞裂，其气体瞬间、大量、高速、冲出足以将该车掀翻，甚至更糟，造成二次事 故，在容器前部或后部被撞裂同样也很危险。现在国际上许多国家都在试验用碳纤维制作的气瓶，有的在 车上安装了6个50升的碳纤维气瓶，总容积为300升，压力为300公斤，由于现在的碳纤维气瓶只能做成两 端为球面，中间为圆柱状的和球体的形状，所以这六个50升的碳纤维气瓶放在轿车里要多么大的空间纳， 要做成一个三百升的也放不下，这就是气动车一直没有得到推广使用的根本原因所在，而本发明之气动车 打破常规，首创整车作为气箱的理念，应用于轿车，气箱可以做到3000升，即使一次只充三十公斤的压力 也能行驶200公里，如果减少部分容量，压力增加到300公斤至400公斤，冲一次气可行驶1000公里并且由 于本发明的气箱是由一个个独立的几何体小空间组成的整体气箱，即使车辆发生碰撞，也不会破裂，箱内 的气体由于分别装在独立的几何体中，每个空间的小孔限制了气体流出速度，所以不会产生很大的冲击力， 从而保证了人车的绝对安全。其实应用于轿车300到500的容量已足够。

本发明应用于轿车的任意形状气箱，完全可以不用车架了，可完全由本发明的气箱，来同时充当车架、 气箱、车的外表面的全部或部分。(当然也可以应用于各种车辆时单独的车架和本发明之气箱配合使用) 用于轿车的生产该气箱按车型不同容量一般可以做到3000升左右。以气箱充气压力三十公斤为例，采用1 毫米铁板(或其它金属板、合金板、不锈材料、碳纤维编织、蜘蛛丝以及现在已有的和将来出现的各种金 属和非金属材料合成材料化学材料等制成)制作气箱，该气动轿车充一次气可行驶200公里，其总造价也 不会比原先的内燃机轿车和电力轿车的造价有所增加，相反它的成本更低、更安全、车辆整体强度更高、 使用寿命更长了。如果将气压做到三百至五百公斤，其气箱就要加厚，为此我们可以减少一些容量，但气 动车所能行驶的距离就会成倍增加。其具体方法是气箱内部制成由一定数量的几合体组成，几何体之间有 孔相通。本发明实施例1中使用气压为三十公斤，采用的实验板材厚度是1毫米，焊接了一个由1立方分米 的正方体制组成的长方体气箱进行压力试验，制成后首次充的气压要高于平时充气的气压，首次充气我充 到了35公斤，这是为了让其在以后每次充气30公斤时，它都不会发生任何变形，打下坚实的基础。气箱充 气后在压力作用下其内部所有正方体没有任何变形，只是箱体外部的每个正方形的四条边到正方形的中心 最高处有5毫米的逐渐增高的平滑过度变形，这个变形是一次性的，以后再充气到30公斤时，充气多少次 也不会有变化了。30公斤的气压，1毫米的厚度足以保证长期使用没有任何问题，就是在提高一倍的压力 也无须加厚板材的厚度，如果外层板加厚变形会减小或消失；如果认为这个变形不好看，为此我们还可以 进一步改进，采用在与外壁接触部分的几何体的外壁内侧加一个十字，把它的面积分割为原先的四分之一， 其变形几乎就没有了，也可以进行更小的分割，也可以上诉两种办法同时使用，该方法同样适用于任意形 状的气箱。关于气箱的制作，当气箱外壁向内的一定层数的几何体，足够承受相应的气压时，其气箱内部 剩余空间，也可以制成一个大的几何空间。也可由外向内逐渐增大几何体的体积，从而减少几何体的数量， 提高生产效率。这里给出的厚度仅为发明人实验的厚度，具体的厚度不作规定，可由生产者根据具体压力 等条件自行确定。充气一次完成变形后，即可进行涂层或镀层的处理，如果外观做得足够好，我们就可以 即把它当气箱和车架同时又把它当作车的外表面了，这时再按上座椅、轮胎、气马达，汽动轿车就制成了， 当然也可以在气箱外安装一层漂亮的外壳。我们还可以在由独立几何体构成的任意形状气箱的基础上，把 几何体内部的横向或纵向贯通从而在内部形成管状的几何体空间，构成由管状几何体构成的任意形状的气 箱，其管形可以是正方形、长方形、梯形、三角形、扇形，制成任意形状的管状几何体气箱时，也可以在 其所有气箱外壁内侧只做用于防止气箱变形的分割，制作各种气箱时，在将箱体所在部分的几何体外表面 制成圆弧面或球面时，以及两者的组合时，其外壁无需进行防止变形的操作。本发明用于轿车其原先按装 机器的前方所有空间和后排座椅后面的所有空间及所有座位下的空间和脚下的空间都可作为整体的气箱 使用，如果你不嫌麻烦的话，甚至连汽车的车顶、门框、车门、座椅也都可以作为气箱的一部分，用来作 为气箱使用，从而进一步增加它的气体容量，使车跑得更远。该气箱除以上介绍的方式外，还可以根据每 种具体的车型制成统一压力、统一容量、统一大小、统一接口的可更换气箱，这样气快用完时到了换气站 把气箱拉出来换上即可。

在任意形状的金属板气箱的基础上，把金属板换成非常薄的普通金属板或者像铝材等轻质的板材，做 成气箱，在外面进行碳纤维等各种高强度的纤维缠绕来承压，便制成了任意形状的纤维气箱(这个比金属 板的气箱的结构和形状就简单多了)及其它材料缠绕的任意形状气箱。该气箱可进行单一气室的缠绕然后 在整体缠绕，也可只进行整体的用于承压的缠绕，该气箱用于防止变形的内部支撑和密闭部分的结构可与 上面的任意形状的金属板气箱相同，也可以采用除此之外的任何方式，根据其具体的形状具体确定。

长方体和正方体等各种任意形状压力容器定理创建与分析：由任意条边组成的多边体压力容器在受到 一定压力时，任意两点间的直线(边)将在压力作用下形成由两点向中心逐步加深的指向容器内部的圆弧， 同时也使两顶点间的距离缩短。变形与所受压力成正比，与容器顶点和边的强度成反比，与针对各顶点和 边的支撑强度成反比。也可以根据上面的定理进行直接针对顶点和边的气箱外部强化或内部支撑，也可两 者同时进行，其内部支撑可以是碳纤维框架支撑，铝材支撑等各种材料的，也可以使复合材料的，多种材 料的，各种支撑方式。根据这个定理进行的直接支撑，比以上谈到的任意一种方法更直接有效，也可和上 面谈到的方法中和使用。根据该定理最有效的支撑就是直接针对相邻两个面形成的这条边的支撑，就是直 接作用于这两个面所形成的容器内角的角平分线上的支撑。该直接支撑可以是由三角形、梯形、长方形、 正方形等多种单片支撑构成的复合支撑体，同时还可进行必要的加强牵拉。内支撑可以是和内胆一体的也 可以是独立的。也可只进行在气箱外部缠绕时针对于加强边的强度的缠绕。

图1-1为本发明应用于气动轿车的例证。本发明应用于气动摩托车和气动自行车，气动自行车一般是 指马达功率为200瓦左右的两轮或是三轮车，气动摩托车一般指马达功率为600瓦以上两轮或三轮车。图1-2 是用现有的汽油摩托车改制的气动车，如果是生产新的气动车那就可以完全不要车架了，完全可由气箱替 代车架甚至同时充当整车的外表面，只需再加装轮子车把和马达就构成整车了。同样所有气动设备上也都 可采用任意形状的碳纤维气箱。发明人认为，气动摩托车和气动自行车制成包车的形式比较好，既能方便 上下车而且乘坐舒适宽敞漂亮又能使气箱做得足够大。(当然也不反对做成其它的形式)一般常见的车型， 其气箱的容量可以做到120升左右，加一次气可以行驶里程与气动轿车相比同样可达150至200公里，甚至 更远。像本田大绵羊那样的大包车(俗称大船儿)其气箱容积可以做到300升左右。当然采用该技术制成 的气动摩托车和气动自行车及其它各种气动车其造价比原先的各种内燃机的动力车和电力机的动力车其 造价也不会增加，反而会降低其整车的强度也会更高。本发明之气箱用于各种气动轿车，即使做成30公斤 的压力的气箱，也和那种装三百公斤高压的六个五十升碳纤维气瓶的车辆跑的一样远，因为该气箱的容量 比那种气瓶的容量大出十倍，本发明之气箱即使做到和氧气瓶一样的高压或者做到更高达到三百至四百公 斤的压力也是绝对安全的。

图1-3是本发明应用于气动摩托车和气动自行车的马达传动和润滑结构的一个具体事例。图中采用了 叶片式马达4，在气马达4上装有排气口1和7，进气口5，润滑油泵3，润滑油泵进油管2，润滑油泵出油管8， 6固定在摩托车后轮上的链轮。其工作过程和原理是：在气箱中存储的高压空气经过阀门进入右手控制的 安装在车把上的加速器调压(或经减压器和右手控制的阀门)后通过进气管5进入气马达，带动起马达旋 转，用完的汽体由排气口1和7排出，气马达转动后也带动着润滑油泵3开始转动，同时通过气马达上的小 链轮和链条带动着链轮6旋转从而使车前行。旋转的油泵通过润滑油箱，经润滑油泵进油管2吸入润滑油后 经过润滑油泵出油管8通入气马达的进气管5从而完成整个行驶和润滑过程。

气马达在工业上的应用至少已有几十年的历史了，气马达的可靠性、耐久性、效率早已被世界各国的 众多使用者认可。每种规格的气马达在最大功率时单位时间的耗气量，都有固定的数据可查，想要知道气 动车可以跑多远只需根据气箱的压力和容量和气马达的耗气量计算就可以了，应用于气动自行车、摩托车、 轿车、公交车，我们可以直接拿工业气马达应用，也可以进行适合的改进，或者购买每种车专用的气动发 动机。(很多国家都已开发出了专用的气动发动机)所以气动车技术中，气箱的压力、容量、安全性以成 为气动车中最关键的一环。关于气动车的充气方式，现阶段采用电力的高压空气压缩机的方式比较适合， 将来还可以利用风能、水能、太阳能等方式来制造或带动空气压缩机，为气动车充气，从而实现气动车的 零成本充气。真正使气动能源成为无任何污染的、零排放的、取之不尽用之不绝的绿清洁能源。关于气 动船和气动飞机等这里就不再进一步说明了。

关于续航能力，现在国际上仅有的气动车均采用碳纤维气瓶，以做到总容量为300升，可续航200公里， 浙江大学作的碳纤维气瓶气动车采用了6个50升的气瓶总容量也为300升，但必须把时速控制在50公里以内 才可保证，冲一次气行驶200公里。我的气箱由于空间利用合理，具体可采用由管状几合体构成的整体气 箱，单个几何体空间容积也可做到五十升左右，铁板厚度小于等于6毫米，外表面采用圆弧面与球面组合 即可构成，安全可靠、工艺简单、使用寿命长，由它来同时充当车驾和气箱，其整车只需再加上一层漂亮 的外壳即可。做到3000升的容量还是绰绰有余的，其续航能力至少可达到1000公里(经济时速耗气量)。按 百公里油耗四升的燃油轿车，以每千瓦238克的汽油消耗量，计算出车辆运行于100公里定速时的平均功率 为15千瓦，按发动机处于15千瓦时耗气量为560升每分钟，压力6公斤计算，可维持整车行驶266分钟，约 为500公里。当然为了减轻重量提高效率，也可采用任意形状的碳纤维气箱。与燃油轿车和电动轿车相比 气动车现在的优势是整车生产成本更低，更环保，百公里使用成本仅为最经济的燃油轿车的三分之一，与 燃油轿车和电动轿车相比维护成本更低，使用寿命更长和零排放的优点。与变速箱组合使用，其时速最好 控制在100公里以内，在相同气箱容量下气动车才能行驶的更远，但是由于我们的气箱容量已做到全世界 最大，续航能力也可达到500公里左右，即使扣除要拉空调和发电机以及加速所消耗的功率其续航能力也 可达400公里。此技术应用于公交车气箱容量可做到几十立方米。

由以上介绍可知该气动车和气动船，以完美的解决了气动车和气动船气源的存储问题，完全可以持续 稳定的保证车辆和船只远距离的行驶需要，可以广泛应用于气动自行车、气动摩托车、气动轿车、气动公 交车、气动三轮车等各种气动车辆上和各种气动船上，具有无污染、零排放、加气迅速、高效、使用寿命 更长、成本更低、整车整船强度更高、更符合国家当前节能减排的新产业政策的特点。任意形状的压力容 器，可应用于各种气动车和气动船，同时也可单独作为各种压力容器使用，如液化石油气罐等，具有承受 压力高、空间利用率高、用材料薄，轻，省的特点。