專利名稱：用作熱泵的裝置,以及包含該裝置的制冷機(jī)和熱機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及用作熱泵的裝置，尤其但非專有地涉及設(shè)置成當(dāng)作為熱泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) 采用大氣作為熱源的裝置。此外，依照本發(fā)明的裝置也可設(shè)置為作為制冷機(jī)(例如空調(diào)部 件)或熱機(jī)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的用 于對建筑物之類供暖的熱泵采用閉合蒸汽循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)的工作流，并且一般 經(jīng)由熱交換器從地面或水箱獲得熱量供應(yīng)。這種設(shè)置中采用的熱交換器一般與熱泵本身相 分離，并且通常是相當(dāng)大的，特別是若為地源或需要靜止的或流動(dòng)的水源。此類設(shè)備工作流 通常以閉合循環(huán)工作，并且從熱交換器獲得的熱量經(jīng)由另一熱交換器被抽吸到熱負(fù)載。一 般用作此類熱泵中的工作流的冷卻劑/制冷劑通常是潛在的污染物?，F(xiàn)有技術(shù)在熱泵中采用大氣作為熱源，但由于環(huán)境空氣每單位體積的能量較低， 一般需要采用低效能的空氣動(dòng)力壓縮機(jī)(或鼓風(fēng)機(jī))來處理所需的高容積流量。這種設(shè)置 中采用的熱交換器元件由于空氣中的濕氣，通常也易受到積冰的影響。因此本發(fā)明滿足了改進(jìn)熱泵的需要，改進(jìn)的熱泵采用大氣作為熱源，可克服或至 少緩解現(xiàn)有技術(shù)存在的一些問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一方面提供了一種用作熱泵的裝置，其包括壓縮室構(gòu)件、允許氣體進(jìn) 入壓縮室構(gòu)件的進(jìn)氣構(gòu)件、用于壓縮所述壓縮室構(gòu)件內(nèi)包含的氣體的壓縮構(gòu)件、用于接收 被壓縮構(gòu)件壓縮的氣體的熱能的熱交換器構(gòu)件、用于容置與熱交換器構(gòu)件接觸之后的氣體 的膨脹室構(gòu)件、使容置于膨脹室構(gòu)件內(nèi)的氣體膨脹的膨脹構(gòu)件，以及用于在膨脹后從裝置 排出氣體的排氣構(gòu)件。所述氣體可為來自周圍大氣的空氣。這樣，提供了一種熱泵，其中大氣既可用作熱 源也可用作工作流(例如，單相工作流)。有利的是，采用大氣作為工作流意味著不必采用 具有潛在污染的冷卻劑。此外，由于熱源和工作流可為一體，所以熱泵的大小和復(fù)雜度可顯 著減小。例如，可將熱泵設(shè)置成，使得裝置總?cè)莘e中相當(dāng)大比例是熱力驅(qū)動(dòng)的。這樣，熱泵 可被容置在配置成易于安裝的單個(gè)緊湊部件內(nèi)。.此外，由于所有的熱交換可在部件自身內(nèi) 發(fā)生，本發(fā)明無需大而復(fù)雜的熱交換器。壓縮可為基本等熵的或絕熱的。熱交換可為基本等壓的。膨脹可為基本等熵的或 絕熱的。進(jìn)氣構(gòu)件可包括與壓縮構(gòu)件流連通的至少一個(gè)進(jìn)氣孔。例如，壓縮構(gòu)件可置于外 殼中，并且進(jìn)氣構(gòu)件可包括外殼中的孔陣列?？钻嚵惺褂弥锌晌挥谕鈿さ南虏?例如，底 部)。或者，孔的陣列使用中可位于外殼的上部(例如，頂面)。進(jìn)氣構(gòu)件可進(jìn)一步包括至少一個(gè)進(jìn)氣閥，用于控制氣體進(jìn)入壓縮室構(gòu)件。當(dāng)被啟 動(dòng)時(shí)，該至少一個(gè)進(jìn)氣閥可被配置成密封所述或相應(yīng)的進(jìn)氣孔。所述至少一個(gè)進(jìn)氣閥可為止回閥。所述至少一個(gè)進(jìn)氣閥可包括被動(dòng)控制的進(jìn)氣閥。例如，所述至少一個(gè)進(jìn)氣閥可包括 壓力驅(qū)動(dòng)進(jìn)氣閥(例如簧片閥或盤狀閥)。進(jìn)氣閥可被設(shè)置為當(dāng)密封其相應(yīng)的孔時(shí)保持輕 松關(guān)閉的。所述至少一個(gè)進(jìn)氣閥可被設(shè)置為保持關(guān)閉，同時(shí)所述或相應(yīng)的排氣閥開啟(如 下所示)。在另一實(shí)施例中，所述至少一個(gè)進(jìn)氣閥包括主動(dòng)控制的進(jìn)氣閥(例如盤狀閥或回 轉(zhuǎn)閥)。所述至少一個(gè)進(jìn)氣閥可設(shè)置為當(dāng)閥兩側(cè)的壓力相等時(shí)是開啟的?；蛘?，所述至少一個(gè)閥可包括從所述至少一個(gè)進(jìn)氣孔延伸的通道，以及設(shè)置為沿 著通道中第一位置和第二位置之間的部分自由移動(dòng)的部件，所述第一位置阻塞所述至少一 個(gè)進(jìn)氣孔，所述第二位置與進(jìn)氣孔相隔開。這樣，可構(gòu)成閥(以下稱為“球閥”)，在其內(nèi)部 件的移動(dòng)可通過部件內(nèi)的壓力差自動(dòng)啟動(dòng)。部件可基本為球形(以下稱為“球部件”)。部 件可由塑料材料構(gòu)成。有利地，對于球部件，第一和第二位置之間的距離只需為球直徑的一半。因而，在 球直徑為3毫米的情形中，球僅需移置1. 5毫米以完全密封/開啟進(jìn)氣閥。這樣，壓縮室構(gòu) 件僅需要少量空間供球的移動(dòng)。此外，由于球部件輕且僅移動(dòng)少量距離，所以甚至當(dāng)每分鐘 開和關(guān)1500次時(shí)，球閥也可被平穩(wěn)地操作。在一具體的實(shí)施例中，進(jìn)氣構(gòu)件包括3000個(gè)此 類的球閥，各球由塑料材料構(gòu)成，具有較低的比重。這樣，與傳統(tǒng)的金屬盤狀閥相比，所設(shè)置 的閥中可移動(dòng)部分(例如球)具有低慣性。壓縮構(gòu)件可包括壓縮活塞構(gòu)件，用于壓縮在壓縮室構(gòu)件內(nèi)包含的氣體。壓縮活塞 構(gòu)件可與驅(qū)動(dòng)構(gòu)件相連接，驅(qū)動(dòng)構(gòu)件用于驅(qū)動(dòng)壓縮室構(gòu)件內(nèi)的壓縮活塞構(gòu)件以壓縮其中包 含的氣體。壓縮活塞構(gòu)件的有效活塞直徑與活塞行程長度之比至少為2 1。有利地，此比率 允許近似等熵壓縮(并且因此循環(huán)效率高)，其原因在于，雖然與具有更多相等尺度的傳統(tǒng) 活塞相比，該活塞構(gòu)件每單位體積壓縮氣體具有較高的表面積，但是與活塞表面相接觸的 氣體有效地近似停滯，然而汽缸壁在不可避免地運(yùn)動(dòng)中要接觸氣體，并且通過這樣設(shè)置將 汽缸壁面積比例減小。當(dāng)與活塞面積相比，減小汽缸壁面積，將使流經(jīng)傳導(dǎo)面的氣體減至最 少。此比例的其它優(yōu)點(diǎn)包括i)相對較大的氣團(tuán)可低速移動(dòng)；ii)當(dāng)活塞移動(dòng)不太遠(yuǎn)時(shí)，機(jī)械損耗較低；iii)與壓縮活塞構(gòu)件相關(guān)聯(lián)的密封中，當(dāng)活塞移動(dòng)不太遠(yuǎn)并且/或?qū)τ诮o定的行 程每次循環(huán)中的各密封提供更多的空氣時(shí)，密封的摩擦損耗較少；iv)與壓縮活塞構(gòu)件相關(guān)聯(lián)的外圍密封中的滲漏影響與傳統(tǒng)比例的活塞相比較 小。在活塞直徑與活塞行程長度之比為2 1的情形中，活塞面積與汽缸壁面積的比 例是1 1。相反，在標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)中，活塞直徑與活塞行程長度之比大約為1 1，并且活 塞面積與汽缸壁面積的比例是1 2。在一實(shí)施例中，有效活塞直徑與活塞行程長度的比例 至少是3 1。在另一尤其較佳的實(shí)施例中，有效活塞直徑與活塞行程長度的比例至少是4 1。 4 1或更大的比例與傳統(tǒng)比率的活塞相比，在效率上有顯著的改進(jìn)。例如，有效活塞直徑 可為大約500毫米，并且有效行程長度在30到70毫米之間。
壓縮活塞構(gòu)件可包括單壓縮活塞。為了平衡運(yùn)轉(zhuǎn)，單壓縮活塞可設(shè)置成與配重構(gòu) 成反相運(yùn)轉(zhuǎn)(例如180度異相)?；蛘?，壓縮活塞構(gòu)件可包括多個(gè)壓縮活塞。這樣，作用在 活塞構(gòu)件上的質(zhì)量力和承載力更易平衡。在多個(gè)壓縮活塞的情形中，有效活 塞直徑與活塞 行程長度之比被定義為合成的有效活塞直徑與平均活塞行程長度之比。在多個(gè)壓縮活塞的情形中，可將兩個(gè)或多個(gè)活塞設(shè)置成異相移動(dòng)。各活塞可，例 如，等間距地滯后于鄰近區(qū)域。例如，在n個(gè)活塞的情形中，各活塞與鄰近活塞的相位可差 (l/n)*360°。這樣，驅(qū)動(dòng)構(gòu)件承受的是更恒定的負(fù)載力，因而減少了對飛輪的需要，并且允 許使用單個(gè)高速(恒定功率)電動(dòng)機(jī)。若需要更多的功率，也允許將額外的壓縮器/膨脹 器模塊毫無困難地添加到裝置中。在一實(shí)施例中，多個(gè)活塞沿軸線橫向隔開。在另一實(shí)施例中，多個(gè)活塞圍繞中心軸 沿圓周隔開。例如，壓縮活塞構(gòu)件可包括一對沿直徑相對的活塞(例如對動(dòng)式設(shè)置)。相對 的活塞可被設(shè)置為壓縮隔開的氣體體積。在一實(shí)施例中，相對的壓縮活塞反相運(yùn)轉(zhuǎn)。這樣， 可平衡活塞的動(dòng)作。在壓縮活塞構(gòu)件包括單壓縮活塞的情形中，壓縮室構(gòu)件可包括單壓縮室，用于容 置單壓縮活塞。在壓縮活塞構(gòu)件包括多個(gè)壓縮活塞的情形中，壓縮室構(gòu)件可包括多個(gè)分立 的壓縮室，各與相應(yīng)的壓縮活塞相關(guān)聯(lián)。各壓縮室至少有一相應(yīng)的進(jìn)氣閥。所述或各壓縮活塞可從第一位置移動(dòng)至第二位置，當(dāng)所述或各壓縮活塞可從第一 位置移動(dòng)至第二位置時(shí)，對所述或各相應(yīng)的壓縮室內(nèi)包含的氣體進(jìn)行壓縮。進(jìn)氣構(gòu)件可 設(shè)置成，當(dāng)所述或各相應(yīng)的壓縮活塞移動(dòng)到第一位置時(shí)，允許氣體進(jìn)入所述或各壓縮室。 例如，至少一個(gè)進(jìn)氣閥可設(shè)置成，當(dāng)所述或相應(yīng)的壓縮活塞從第二位置移動(dòng)到第一位置時(shí) (例如上述壓縮階段后)是開啟的。一旦氣體進(jìn)入所述或各壓縮室，壓縮室被密封(例如通 過關(guān)閉所述至少一個(gè)進(jìn)氣閥)，并且所述或各相應(yīng)的壓縮活塞，被驅(qū)動(dòng)構(gòu)件從第一位置移動(dòng) 到第二位置從而壓縮氣體。驅(qū)動(dòng)構(gòu)件可包括機(jī)械聯(lián)接驅(qū)動(dòng)裝置。在另一形式中，驅(qū)動(dòng)構(gòu)件可包括非機(jī)械聯(lián)接 驅(qū)動(dòng)裝置(例如，電磁驅(qū)動(dòng))。—旦氣體由壓縮構(gòu)件壓縮，氣體(由于壓縮，此時(shí)溫度應(yīng)當(dāng)高于進(jìn)氣溫度)即接觸 熱交換器構(gòu)件。在一實(shí)施例中，所述或至少一壓縮活塞可包括一個(gè)或多個(gè)孔，各有一排氣 閥，允許氣體通過所述或至少一個(gè)活塞，從所述或其相應(yīng)的壓縮室進(jìn)入熱交換器構(gòu)件。所述 或各孔可位于所述或所述至少一個(gè)壓縮活塞的工作面上。通過提供穿過活塞工作面的孔， 使可用于閥構(gòu)件的壓縮活塞構(gòu)件的面積最大化。壓縮機(jī)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，閥構(gòu)件完全位于汽 缸蓋內(nèi)，僅有約一半的汽缸蓋面積可用作進(jìn)氣，一半的汽缸蓋面積用作排氣。本發(fā)明的壓縮 活塞構(gòu)件可提供的閥面積約為傳統(tǒng)壓縮器給定孔的閥面積的兩倍。所述或各排氣閥可設(shè)置成，當(dāng)所述或所述至少一個(gè)壓縮活塞開始從第一位置移動(dòng) 到第二位置時(shí)，將所述一個(gè)或多個(gè)壓縮活塞孔密封。在一形式中，所述或各排氣閥可包括壓 力驅(qū)動(dòng)閥(例如穿孔簧片閥、球閥、盤狀閥、或回轉(zhuǎn)閥)，當(dāng)所述或所述至少一個(gè)活塞從第一 位置向第二位置移動(dòng)時(shí)，壓力驅(qū)動(dòng)閥是關(guān)閉的。所述或各壓力驅(qū)動(dòng)閥可被設(shè)置為，由于對于 大部分壓縮階段，熱交換器構(gòu)件內(nèi)的氣壓可高于與所述壓縮活塞或所述至少一個(gè)壓縮活塞 關(guān)聯(lián)的壓縮室內(nèi)的氣壓，從而是關(guān)閉的。一旦所述或相應(yīng)的壓縮室內(nèi)的氣壓等于或大于熱 交換器構(gòu)件內(nèi)的氣壓，所述或各壓力驅(qū)動(dòng)閥可被設(shè)置為開啟的，并且壓縮氣體可被運(yùn)送至熱交換構(gòu)件。熱交換構(gòu)件可包括用于容置負(fù)載流的熱導(dǎo)體，熱導(dǎo)體設(shè)置成促使熱量從壓縮氣體 傳輸?shù)截?fù)載流。例如，熱導(dǎo)體有較高的表面積與體積之比。這樣，熱交換器可從相對低溫的 氣體中提取熱量。熱交換器構(gòu)件可放置在可密封室內(nèi)。熱交換器構(gòu)件可設(shè)置為從壓縮的氣體去除水蒸氣。這樣，可在隨后的膨脹階段之 前去除氣體中的水分，從而使排氣構(gòu)件內(nèi)形成的冰減至最少。熱交換器構(gòu)件可有較大的截面積，允許通過高質(zhì)低速的氣流。有利地，這樣的氣流 使氣體接觸熱交換器構(gòu)件的時(shí)間最大化，從而讓水蒸氣的冷凝增加。例如，熱交換器構(gòu)件可 被優(yōu)化或設(shè)置成接受每秒5米或更小速率的氣流。如此低速是為了確保冷凝物通過膨脹構(gòu) 件時(shí)不會(huì)被吹掉，而是停留在熱交換器構(gòu)件的表面上。在一實(shí)施例中，熱交換器構(gòu)件設(shè)置成 接受速度為每秒3米或更低速的氣流。在另一實(shí)施例中，熱交換器構(gòu)件設(shè)置成接受速度在 每秒1.5米到2米之間的氣流。熱交換器構(gòu)件可包括用于收集冷凝水的收集阱。隨著熱交換器構(gòu)件內(nèi)的氣體冷 卻，氣體內(nèi)包含的任何水蒸氣會(huì)冷凝。熱交換器可設(shè)置成將冷凝物導(dǎo)向收集阱。收集阱內(nèi) 收集的水分可通過浮球閥或其它水感應(yīng)閥噴出，一旦水平面達(dá)到閾值。在一些情形中，也許不可能在膨脹前移除空氣中所有的水分，因而膨脹器內(nèi)可能 會(huì)有積冰。在一實(shí)施例中，來自熱泵的一些熱輸出被用于偶爾的除冰循環(huán)。在另一實(shí)施例 中，通過在第一次述及的熱交換器構(gòu)件之后、在通過排氣構(gòu)件離開裝置的空氣冷卻的膨脹 構(gòu)件之前再設(shè)置另一個(gè)熱交換器，來去除熱交換器構(gòu)件內(nèi)的氣體中額外的濕氣?？傂阅芟?數(shù)可能會(huì)被第二熱交換器構(gòu)件減小，但應(yīng)當(dāng)不會(huì)過分危及熱泵的運(yùn)轉(zhuǎn)，因?yàn)閼?yīng)當(dāng)不會(huì)一直 需要額外的預(yù)膨脹冷卻，并且該額外的預(yù)膨脹應(yīng)當(dāng)被調(diào)節(jié)以使任何額外的空氣預(yù)膨脹冷卻 僅限于抽濕需要的程度。在一形式中，熱交換器構(gòu)件可進(jìn)一步包括環(huán)繞(至少部分地)熱導(dǎo)體的熱傳送流， 以及用于將壓縮氣體傳送通過流的構(gòu)件，通過此構(gòu)件熱能從壓縮氣體傳送到熱傳送流。熱 能依次從熱傳送流傳送到熱導(dǎo)體，從而使傳送到負(fù)載流的熱量比例最大化。例如，用于將壓 縮氣體傳送通過流的構(gòu)件可包括小孔(例如穿孔)篩。小孔篩設(shè)置成使流內(nèi)產(chǎn)生氣泡結(jié)構(gòu)， 氣泡結(jié)構(gòu)具有非常高的表面積與體積之比。小孔篩可位于壓縮構(gòu)件和熱導(dǎo)體之間。熱傳送 流可為液體，并且也可選取具有粘性以適合運(yùn)送由氣體流經(jīng)小孔篩而產(chǎn)生的氣泡。熱傳送 流可包括油(例如，硅油)?？蛇x取不能與水混合、密度比水低、并且其自燃溫度高于經(jīng)過其 的加壓氣體的溫度的熱傳送流。為了使輸出氣泡保持完整，可采用一個(gè)以上的小孔篩。在 另一形式中，負(fù)載流可為熱傳送流，因而可避免使用熱導(dǎo)體。用于傳送壓縮氣體通過流的構(gòu)件可設(shè)置成，使得其生成集中在繞熱交換器構(gòu)件內(nèi) 局部區(qū)域的氣流(例如，氣流路徑在熱交換器構(gòu)件的中心部分強(qiáng)于外圍部分)，并且該構(gòu)件 可設(shè)置成將形成于熱交換器構(gòu)件內(nèi)的冷凝物導(dǎo)向收集阱。例如，用于傳送壓縮氣體通過流 的構(gòu)件可包括具有凸部或錐形體的小孔篩，凸部或錐形體包括使用時(shí)在收集阱上方的一頂 點(diǎn)。在一實(shí)施例中，收集阱可包括外圍收集阱。此外，可選取的熱傳送流密度低于冷凝物， 從而促使冷凝物從局部氣流轉(zhuǎn)移到氣泡路徑不那么集中的區(qū)域，在這樣的區(qū)域冷凝物可落 下并且被收集到收集阱內(nèi)。若采用熱傳送液，在壓縮構(gòu)件空閑期間，液體可通過壓縮閥向下滲漏。這樣的液體可包含在外殼內(nèi)，并且液體可在起動(dòng)時(shí)通過壓縮階段抽回。膨脹構(gòu)件可包括膨脹活塞構(gòu)件。膨脹活塞構(gòu)件可包括單膨脹活塞(例如當(dāng)壓縮活 塞構(gòu)件包括單壓縮活塞時(shí))。為了平衡運(yùn)轉(zhuǎn)，單膨脹活塞可設(shè)置成與配重構(gòu)成反相運(yùn)轉(zhuǎn)?；?者，膨脹活塞構(gòu)件可包括多個(gè)膨脹活塞(例如，當(dāng)壓縮活塞構(gòu)件包括多個(gè)壓縮活塞時(shí))。在 多個(gè)膨脹活塞的情形中，可設(shè)置兩個(gè)或多個(gè)活塞為異相移動(dòng)。為了平衡運(yùn)轉(zhuǎn)，相對的膨脹活 塞對可反相運(yùn)轉(zhuǎn)。在膨脹活塞構(gòu)件包括單膨脹活塞的情形中，膨脹室構(gòu)件可包括用于容置單膨脹活 塞的單膨脹室。在膨脹活塞構(gòu)件包括多個(gè)膨脹活塞的情形中，膨脹室構(gòu)件可包括多個(gè)分立 的壓縮室，其各與相應(yīng)的膨脹活塞相關(guān)聯(lián)。所述或至少一個(gè)膨脹活塞可與所述或相應(yīng)的壓縮活塞一起移動(dòng)。所述或至少一個(gè)膨脹活塞構(gòu)件可具有與所述或相應(yīng)的壓縮活塞的活塞行程長度 相對應(yīng)的活塞行程長度。在一實(shí)施例中，所述或所述至少一個(gè)膨脹活塞其有效活塞直徑與 活塞行程長度之比等于所述或相應(yīng)的壓縮活塞其有效活塞直徑與活塞行程長度之比。(例 如至少2 1，至少3 1或至少4 1)所述或至少一個(gè)膨脹活塞可從第一位置移動(dòng)到第二位置。當(dāng)氣體做功幫助所述或 所述至少一個(gè)膨脹活塞從第一位置移動(dòng)到第二位置時(shí)，所述或相應(yīng)的膨脹室內(nèi)包含的氣體 膨脹。這樣，包含在被處理的氣體內(nèi)的一些初始壓縮能量可被恢復(fù)，并且可被用于輔助壓縮 階段的工作。在第一位置中，所述或各膨脹活塞可設(shè)置成，允許氣體進(jìn)入所述或相應(yīng)的膨脹室 (在氣體接觸熱交換器構(gòu)件后)。例如，所述或至少一個(gè)膨脹活塞可包括一個(gè)或多個(gè)孔，各 有一機(jī)械驅(qū)動(dòng)進(jìn)氣閥(以下稱為“膨脹進(jìn)氣閥”)，其允許氣體通過所述或所述至少一個(gè)膨 脹活塞，從熱交換器構(gòu)件到所述或相應(yīng)的膨脹室。所述或各孔可位于所述或所述至少一個(gè) 膨脹活塞的工作面上。通過設(shè)置穿過活塞工作面的孔，使可用于閥構(gòu)件的膨脹活塞構(gòu)件的 面積最大化。所述或各膨脹進(jìn)氣閥可設(shè)置為，當(dāng)所述或所述至少一個(gè)壓縮活塞移動(dòng)到第一位置 時(shí)，允許氣體流過相應(yīng)的膨脹活塞孔。在一實(shí)施例中，所述或至少一個(gè)膨脹進(jìn)氣閥可放置于所述或所述至少一個(gè)膨脹活 塞的底面，并且膨脹構(gòu)件可包括在所述或所述至少一個(gè)膨脹活塞內(nèi)與孔相對齊的凸部，其 設(shè)置成當(dāng)凸部與膨脹進(jìn)氣閥相接觸，所述或所述至少一個(gè)膨脹活塞移動(dòng)到第一位置時(shí)，使 膨脹進(jìn)氣閥開啟；并當(dāng)所述或所述至少一個(gè)膨脹活塞移動(dòng)到第二位置時(shí)，允許膨脹進(jìn)氣閥 關(guān)閉。凸部相對于所述或所述至少一個(gè)膨脹室可調(diào)節(jié)地安裝。這樣，可控制膨脹進(jìn)氣閥開 啟的行程的比率。例如，凸部可受彈性偏壓以相對于可調(diào)節(jié)結(jié)合部保持在預(yù)定位置。例如， 凸部可與彈簧連接?？稍O(shè)有多個(gè)凸部從而提供多個(gè)分別給予所述或各膨脹進(jìn)氣閥的驅(qū)動(dòng)負(fù) 載。在另一實(shí)施例中，所述或至少一個(gè)膨脹進(jìn)氣閥可包括回轉(zhuǎn)閥。回轉(zhuǎn)閥可包括與所 述或所述至少一個(gè)膨脹活塞的面(例如背面)可轉(zhuǎn)動(dòng)連接的盤，該盤包括至少一個(gè)孔，該孔 與所述或所述至少一個(gè)膨脹活塞的所述或各孔相對齊。盤可相對于第一位置和第二位置之 間的所述或所述至少一個(gè)活塞旋轉(zhuǎn)，第一位置處盤上的孔與膨脹活塞相對齊，第二位置處， 孔完全不再與膨脹活塞相對齊。回轉(zhuǎn)閥可設(shè)置成在隔開一小角度(例如5到10度)的第一和第二位置之間振蕩。在第二位置，盤可被設(shè)置成推抵在所述或所述至少一個(gè)膨脹活塞 的面(例如背面)上?；剞D(zhuǎn)閥可包括分隔構(gòu)件，其用于在閥運(yùn)轉(zhuǎn)期間，減小摩擦的和/或改變在盤和所 述或所述至少一個(gè)活塞的面之間的間隔。這樣，使盤和活塞面由于通過所述至少一個(gè)孔的 氣壓而鎖上的可能性最小化。分隔構(gòu)件可包括一部件，其設(shè)置成當(dāng)盤相對于活塞面旋轉(zhuǎn)時(shí) 隨之旋轉(zhuǎn)。例如，部件可包括滾動(dòng)軸承或球軸承。在一實(shí)施例中，部件設(shè)置成嚙合于楔形剖 面，將楔形的方向設(shè)置成，當(dāng)盤從第二位置移動(dòng)到第一位置時(shí)，使得盤和活塞面相隔離。楔 形剖面可包括楔形槽。楔形剖面可位于活塞面上，并且部件可位于盤上(反之亦然)。有利 地，盤并不需要在第一和第二位置之間移動(dòng)很遠(yuǎn)(因此閥相對靜止)，并且當(dāng)盤沿水平軸線 較為堅(jiān)硬時(shí)，閥相對容易控制(特別是以高速)。在另一實(shí)施例中，分隔構(gòu)件包括彈簧構(gòu)件 (例如板簧構(gòu)件)。膨脹進(jìn)氣閥可利用以下方式中的一個(gè)或多個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)壓力、機(jī)械啟動(dòng)、電磁啟動(dòng)、液 壓啟動(dòng)或由任何其它合適的構(gòu)件。在本發(fā)明的一實(shí)施例中，壓縮活塞構(gòu)件和膨脹活塞構(gòu)件 可連接在一起同步工作。例如，在單壓縮活塞和單膨脹活塞的情形中，活塞可由連接構(gòu)件 (例如互相連接的支柱)連接在一起(例如剛性地)。在多個(gè)壓縮活塞和多個(gè)膨脹活塞的 情形中，一對壓縮和膨脹活塞可連接在一起。這樣，膨脹階段可被用于輔助壓縮階段的功， 并且減少(例如顯著地減少)裝置每個(gè)周期的功。這樣的活塞設(shè)置主要的優(yōu)點(diǎn)有i)膨脹期間回復(fù)的能量可直接被用于輔助壓縮期間需要的能量；ii)有助于使兩個(gè)活塞面平穩(wěn)；iii)允許輕質(zhì)活塞結(jié)構(gòu)可處理加在其上的高負(fù)載；以及iv)負(fù)載總體上可被減小，因?yàn)樗鼈兂３Ｔ谘h(huán)中某些點(diǎn)處可由外力消除。在另一設(shè)置中，成對的壓縮活塞可被連接在一起(例如剛性地)。或者，或此外，成 對的膨脹活塞可被連接在一起(例如剛性地)。上述優(yōu)點(diǎn)ii)_iv)適用于這樣的壓縮機(jī)-壓 縮機(jī)對，優(yōu)點(diǎn)i)_iv)適用于這樣的膨脹器_膨脹器組合。當(dāng)壓縮室和膨脹室為大直徑且短行程時(shí)(例如分別依次為0. 6m和0. 03m)，活塞間 的區(qū)域可用于放置熱交換器構(gòu)件。這樣，可獲得高緊湊型的熱泵，其易于安裝在住宅樓宇的 墻內(nèi)或墻邊。但是，在另一實(shí)施例中，熱交換器構(gòu)件可位于活塞之間的區(qū)域之外。并不直接 位于活塞間的空間內(nèi)的獨(dú)立熱交換器其主要的優(yōu)點(diǎn)是i)允許更輕且較簡單的活塞設(shè)置；ii)允許較簡單的熱交換器，因?yàn)閷峤粨Q器來說，不必提供互相連接的桿；iii)允許組件設(shè)置布局上有更多的靈活性；iv)允許多個(gè)壓縮活塞和膨脹活塞共享一個(gè)熱交換器；v)允許便用工作流作為直接的加熱形式，例如提供設(shè)計(jì)成利用所加熱的壓縮空氣 的散熱器，來有效地提供遍布建筑物的大型熱交換器。排氣構(gòu)件可包括一個(gè)或多個(gè)與膨脹室構(gòu)件流連通的出氣孔，并且可包括用于控制 氣體從一個(gè)或多個(gè)出氣孔排出的排氣閥(例如上述定義的那類回轉(zhuǎn)閥)。排氣閥可為機(jī)械 啟動(dòng)，并且在壓縮/膨脹階段的大多數(shù)時(shí)候可為關(guān)閉的。例如，可依靠壓縮構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)(例 如，經(jīng)和驅(qū)動(dòng)構(gòu)件一起旋轉(zhuǎn)的凸輪控制壓縮構(gòu)件)來啟動(dòng)排氣閥。膨脹進(jìn)氣閥啟動(dòng)構(gòu)件可 設(shè)置為，在打開膨脹進(jìn)氣閥之前，允許膨脹室構(gòu)件和熱交換器構(gòu)件內(nèi)的氣壓基本相等。對于大多數(shù)膨脹/壓縮行程，排氣閥可被關(guān)閉。當(dāng)膨脹室內(nèi)的氣壓等于基氣壓(例如大氣壓) 時(shí)，排氣閥可設(shè)置為，在剩余的膨脹行程中，允許膨脹室內(nèi)的氣壓基本保持為基氣壓或大氣 壓。例如，排氣閥可設(shè)置為開啟，當(dāng)膨脹室內(nèi)的氣壓 等于基氣壓或大氣壓時(shí)。這樣，由于工 作氣體的過度膨脹(當(dāng)排氣閥打開時(shí)，可導(dǎo)致低效氣壓突然上升)，可避免氣壓減小到低于 大氣壓。排氣構(gòu)件可被設(shè)置于熱交換器構(gòu)件的一端，進(jìn)氣可被設(shè)置于相對的另一端。這樣， 可使得空氣在進(jìn)氣和排氣構(gòu)件之間流動(dòng)時(shí)，空氣和熱交換器構(gòu)件之間的接觸最大化。在一實(shí)施例中，進(jìn)氣構(gòu)件可位于用于驅(qū)動(dòng)壓縮活塞的驅(qū)動(dòng)構(gòu)件附近(例如在其 上)。這樣，熱泵可使用略高于環(huán)境溫度的空氣運(yùn)轉(zhuǎn)。用作空調(diào)器根據(jù)本發(fā)明第一方面的裝置也可用作空調(diào)器。例如，進(jìn)氣和排氣可包括分岔管，各 管有一分支用于引出/釋放建筑物內(nèi)外的空氣。閥(例如瓣閥)可被用于改變從建筑物和 建筑物外部吸收的空氣的比例，以及將空氣排出到建筑物和建筑物外部的比例。為了冷卻 建筑物，空氣會(huì)進(jìn)入建筑物內(nèi)的泵，初始通過壓縮加熱，能量釋放到負(fù)載流(如前所述)，然 后膨脹(因此冷卻)并且返回至建筑物?？刹捎猛獠繜峤粨Q器冷卻負(fù)載流，或在另一實(shí)施例 中，可直接流出。例如，如果負(fù)載流是水，當(dāng)?shù)氐挠斡境?、湖或河可被用作水源和熱傾卸處。用作熱機(jī)根據(jù)本發(fā)明第一方面的裝置一般其總量中會(huì)有非常高的比例可用作熱動(dòng)力有效 量。因此，并且由于裝置可在適度的溫差下處理大功率，根據(jù)本發(fā)明的裝置可被設(shè)置為作為 有效低溫差熱機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。在此運(yùn)轉(zhuǎn)模式中，大氣空氣會(huì)進(jìn)入壓縮階段，被壓縮、傳送給熱交換 器構(gòu)件，由原先的負(fù)載流而現(xiàn)在的供熱來加熱，然后通過膨脹構(gòu)件膨脹。膨脹構(gòu)件可設(shè)置 成，其膨脹室比相應(yīng)的熱泵形式的膨脹室更大，因?yàn)橥ㄟ^該裝置的比容現(xiàn)在增長了。但是裝 置基本是相同的。熱機(jī)其理想的循環(huán)熱效率就是熱泵在相同溫度范圍工作性能系數(shù)的倒數(shù)。這樣， 提供了從低級熱提取進(jìn)一步能量的有效方法。這樣一個(gè)設(shè)置可以，例如被用于取代發(fā)電站 的冷卻系統(tǒng)以及在工序中提取進(jìn)一步的能量。根據(jù)本發(fā)明第二方面，提供的裝置用作熱泵，其包括熱交換器，熱交換器具有用于 容置加壓氣體的室，所述室包括熱傳送流和用于使壓縮氣體通過熱傳送流的構(gòu)件，因而熱 能從壓縮氣體傳送到熱傳送流。用于使壓縮氣體通過熱傳送流的構(gòu)件可包括小孔(例如穿孔的)篩。熱傳送流可 為液體，并且可選取具有粘性以適合運(yùn)送由加壓氣體通過小孔篩而生成的氣泡。熱傳送流 可包括油(例如，硅油)?？蛇x取不能與水混合、密度比水低、并且其自燃溫度高于經(jīng)過其的 加壓氣體的溫度的熱傳送流。為了使輸出的氣泡保持完整，可采用一個(gè)以上的小孔篩。在一形式中，熱交換器構(gòu)件可包括用于容置負(fù)載流的熱導(dǎo)體，熱導(dǎo)體設(shè)置成促使 熱從熱傳送流傳送到負(fù)載流。例如，熱導(dǎo)體表面積與體積之比可以很高。在另一形式中，負(fù)載流可為熱傳送流，因而無需使用熱導(dǎo)體。當(dāng)氣體在熱交換器構(gòu)件內(nèi)冷卻時(shí)，冷凝物(例如水)可形成于熱交換器構(gòu)件內(nèi)。 用于使壓縮氣體通過熱傳送流的構(gòu)件設(shè)置成，生成集中于熱交換器構(gòu)件內(nèi)局部區(qū)域的氣流 (例如在熱交換器構(gòu)件的中心部分強(qiáng)于外圍部分的氣流)，并且構(gòu)件可設(shè)置成將形成于熱交換器構(gòu)件內(nèi)的冷凝物引導(dǎo)到外圍收集阱。例如，用于使壓縮氣體通過熱傳送流的構(gòu)件， 可包括具有凸部或錐形體的小孔篩，該凸部或錐形體包括使用時(shí)在外圍收集阱上方的一頂 點(diǎn)。此外，可選取的熱傳送流密度低于冷凝物，進(jìn)而促使冷凝物從局部氣流轉(zhuǎn)移到氣流不那 么集中的區(qū)域，在這樣的區(qū)域冷凝物可落下并且被收集在外圍收集阱內(nèi)?！┧矫孢_(dá)到閾值，外圍收集阱內(nèi)收集的水分可通過浮球閥或其它水感應(yīng)閥噴 出o根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供的用作熱泵的裝置包括允許大氣進(jìn)入壓縮室的進(jìn) 氣構(gòu)件、用于壓縮在壓縮室內(nèi)包含的大氣的壓縮構(gòu)件、用于從被壓縮構(gòu)件壓縮的大氣中接 收熱能的熱交換器構(gòu)件、以及一旦熱能已被傳送到熱交換器構(gòu)件就從裝置排出大氣空氣的 排氣構(gòu)件。根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供的閥包括具有第一孔的第一部分和具有第二孔的第 二部分，第一部分相對于第二部分在第一位置和第二位置之間是可旋轉(zhuǎn)的，在第一位置處 第一孔和第二孔不相對齊以防止流通過，在第二位置處第一孔和第二孔相對齊以允許流通 過，其所述閥進(jìn)一步包括在閥運(yùn)轉(zhuǎn)期間改變第一部分和第二部分之間的間隔的分隔構(gòu)件。分隔構(gòu)件可被設(shè)置成，當(dāng)?shù)谝徊糠忠苿?dòng)到第二位置時(shí)，允許第一和第二部分互相 頂住。這樣，使得由于通過第一和第二孔的流的氣壓而使兩部分鎖住的可能性變得最小。第 一部分可基本為盤狀。分隔構(gòu)件可包括設(shè)置為當(dāng)?shù)谝徊糠窒鄬τ诘诙糠中D(zhuǎn)時(shí)，隨之旋轉(zhuǎn)的部件。例 如，部件可包括滾動(dòng)軸承或球軸承。在一實(shí)施例中，部件設(shè)置為嚙合于楔形剖面，楔形的方 向設(shè)置成，當(dāng)?shù)谝徊糠謴牡诙恢靡苿?dòng)到第一位置時(shí)，使得第一部分和第二部分相隔開。楔 形剖面可包括楔形槽。楔形剖面可位于第二部分上，并且部件可位于第一部分上(反之亦 然)。有利地，第一部分并不需要在第一和第二位置之間移動(dòng)很遠(yuǎn)(因此閥相對靜止)，并 且當(dāng)?shù)谝徊糠衷谒捷S靜止時(shí)，閥相對容易控制(特別是以高速)。在另一實(shí)施例中，分隔構(gòu)件包括彈簧構(gòu)件(例如板簧構(gòu)件)。


參考附圖，以舉例方式對本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行說明。圖1為本發(fā)明的第一種熱泵實(shí)施例的橫剖面示意圖；圖2為顯示圖1熱泵在熱泵循環(huán)的不同階段的一系列示意圖；圖3為顯示圖1熱泵中采用的排氣構(gòu)件詳情的示意圖；圖4為顯示模擬圖1熱泵典型循環(huán)的P-V曲線圖；圖5為本發(fā)明的第二種熱泵實(shí)施例的橫剖面示意圖；圖6A為顯示圖5熱泵中采用的活塞和回轉(zhuǎn)閥詳情的示意圖；圖6B為顯示圖6A中所示的活塞底側(cè)的視圖；以及圖6C為顯示圖6A中所示的活塞和回轉(zhuǎn)閥的橫剖面示意具體實(shí)施例方式圖1顯示了包括主體20的熱泵10。該主體20包括進(jìn)氣構(gòu)件30、壓縮室40、壓 縮構(gòu)件60、熱交換器構(gòu)件80、膨脹室124、膨脹構(gòu)件120以及排氣構(gòu)件100。
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進(jìn)氣構(gòu)件30包括多個(gè)進(jìn)氣孔32和進(jìn)氣閥34。進(jìn)氣閥34包括多個(gè)進(jìn)氣閥孔36， 其相對于進(jìn)氣孔32偏移，通過移動(dòng)進(jìn)氣閥34擋住進(jìn)氣孔32，使進(jìn)氣孔32密封。進(jìn)氣閥34 可為壓力驅(qū)動(dòng)閥(例如穿孔簧片閥)。壓縮構(gòu)件60包括與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)64相連接的壓縮活塞62。壓縮活塞62滑動(dòng)安裝在 壓縮室40內(nèi)，并且被設(shè)置成壓縮其中包含的氣體。壓縮活塞62具有工作面63，其包括孔 66和設(shè)置于其頂面上的排氣閥68，排氣閥用于控制氣體流過活塞孔66。排氣閥68包括多 個(gè)排氣閥孔70，其相對于活塞孔66偏移，通過移動(dòng)排氣閥68擋住排氣孔66，使孔66密封。 排氣閥68可為壓力驅(qū)動(dòng)閥(例如穿孔簧片閥)。使用中，允許經(jīng)由進(jìn)氣構(gòu)件30進(jìn)入熱泵的空氣通行進(jìn)入壓縮室40。一旦空氣進(jìn)入 壓縮室40，進(jìn)氣孔32被進(jìn)氣閥34密封，并且壓縮活塞62被機(jī)械裝置64驅(qū)動(dòng)(利用活塞孔 66被熱交換器構(gòu)件80內(nèi)的氣壓密封)。一旦壓縮室內(nèi)包含的空氣被壓縮構(gòu)件60壓縮到接 近熱交換器構(gòu)件80內(nèi)的水平，打開排氣閥68，氣體就被傳送到熱交換器構(gòu)件80。 熱交換器構(gòu)件80包括熱交換室81，其容置由熱傳送液84 (例如油)包圍的熱導(dǎo)體 82。熱導(dǎo)體82包括管網(wǎng)86，其界定引導(dǎo)負(fù)載流流向的路徑。熱交換器構(gòu)件80也包括位于 壓縮構(gòu)件60和熱導(dǎo)體82之間的圓錐小孔篩88，小孔篩88的設(shè)置是為了在壓縮氣體離開壓 縮構(gòu)件60并進(jìn)入熱傳送液84時(shí)，促使氣泡的形成。選取具有合適粘性的熱傳送構(gòu)件，以傳 播由有孔篩88生成的氣泡。主體20的基部外圍配有收集阱90，以收集當(dāng)空氣冷卻時(shí)熱交 換器構(gòu)件內(nèi)形成的冷凝物。外圍收集阱內(nèi)收集的水可通過浮球閥或其它水位感應(yīng)閥(未顯 示)來去除。膨脹構(gòu)件120包括膨脹活塞122，通過互相連接的支柱101剛性連接于壓縮活塞 62，并且滑動(dòng)地安裝在膨脹室124內(nèi)。膨脹活塞122具有包含多個(gè)孔126的活塞面123，以 及放置于下側(cè)用于控制氣體流經(jīng)膨脹活塞孔126的膨脹進(jìn)氣閥128。膨脹進(jìn)氣閥128包括 多個(gè)孔130，相對于孔126偏移，當(dāng)膨脹進(jìn)氣閥128頂住膨脹活塞122時(shí)，孔126被密封。膨 脹進(jìn)氣閥128被設(shè)置為當(dāng)膨脹進(jìn)氣閥128從膨脹活塞孔126移開時(shí)，依靠凸部130、131或 (在另一形式中)依靠來自膨脹構(gòu)件的壓力，允許空氣流經(jīng)膨脹活塞孔126。如圖1和圖3所示，凸部130、131在膨脹活塞122內(nèi)分別可與孔132、133對齊。凸 部130、131被設(shè)置成，當(dāng)膨脹活塞122向出氣孔102移動(dòng)時(shí)，使膨脹進(jìn)氣閥128遠(yuǎn)離膨脹活 塞122的中部；而當(dāng)活塞開始向熱交換器構(gòu)件80移動(dòng)時(shí)，允許膨脹進(jìn)氣閥128重新密封膨 脹活塞孔126。膨脹進(jìn)氣閥128受輕彈簧偏壓而保持在其閉合位置。凸部130、131受彈簧134的彈性偏壓以增加用于打開膨脹進(jìn)氣閥的行程長度，?？?通過滑移柱塞調(diào)節(jié)管136改變彈簧位置，調(diào)整使膨脹進(jìn)氣閥128開啟的行程比例。排氣構(gòu)件100包括多個(gè)出氣孔102和機(jī)械驅(qū)動(dòng)的排氣閥104。排氣閥104包括多 個(gè)排氣閥孔106，其相對于出氣孔102偏移，當(dāng)移動(dòng)出氣閥104堵塞出氣孔102時(shí)，出氣孔 102被密封。排氣閥104由凸輪(未顯示)被機(jī)械驅(qū)動(dòng)，凸輪與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)64同步旋轉(zhuǎn)。圖2中顯示了熱泵10中機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置64在熱泵循環(huán)期間的八個(gè)連續(xù)的“曲柄” 位置(各遞增45度)。為了清楚起見，省略了熱交換器單元和氣泡篩。各種位置如下所述 (段落編號表示圖編號)1 (驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)64)曲柄在下死點(diǎn)。所有閥被關(guān)閉，活塞組件即將開始向上移動(dòng)。
2 活塞組件上升，排氣閥104 (在組件頂部)是開啟的，并且進(jìn)氣閥34 (在組件底 部)是開啟的。當(dāng)膨脹室124和壓縮室40都排氣到大氣中時(shí)，整個(gè)組件間的壓力差接近于 0。膨脹室124向大氣排空，壓縮室40吸收新鮮流入的大氣。3 行程中點(diǎn)，活塞組件上升，膨脹室124排出一半氣體，壓縮室40半充滿新鮮流入 的大氣。閥位置與階段2—樣。4 曲柄接近上死點(diǎn)。排氣閥104是關(guān)閉的。膨脹進(jìn)氣閥128(膨脹活塞的下表面) 即將開啟。進(jìn)氣閥34是關(guān)閉的。5 上死點(diǎn)。膨脹進(jìn)氣閥128是開啟的，并且允許被壓縮處理過的空氣通過，該空氣 從活塞間的空間通過到達(dá)膨脹室124時(shí)，被活塞間的空間內(nèi)的熱交換器構(gòu)件80冷卻。壓縮 室閥是關(guān)閉的。排氣閥104是關(guān)閉的。6 曲柄不再處于在上死點(diǎn)?；钊M件下降。膨脹進(jìn)氣閥128關(guān)閉。壓縮室閥被關(guān) 閉，壓縮空間內(nèi)的空氣被壓縮，經(jīng)由活塞間的支柱通過受壓膨脹室輔助壓縮，因此恢復(fù)了一 些之前的壓縮能量。排氣閥104是關(guān)閉的。7:行程中點(diǎn)，活塞組件下降。膨脹室閥現(xiàn)在是關(guān)閉的，膨脹空間內(nèi)的空氣膨脹并對 活塞作功，該功經(jīng)由活塞間的支柱傳送到壓縮活塞。所有的壓縮室閥被關(guān)閉，并且壓縮室內(nèi) 的空氣被壓縮。8 接近下死點(diǎn)。膨脹室124內(nèi)的空氣現(xiàn)在低于大氣溫度和大氣比容，僅由彈簧或 類似物(未顯示)稍微頂住其位置的排氣閥104現(xiàn)在是開啟的，并且允許一些處于大氣壓 下的空氣重新進(jìn)入膨脹室124，使得在剩余的下行程中，膨脹室124的壓力基本保持為大氣 壓。當(dāng)活塞間的空間和壓縮活塞之間的壓力差相等時(shí)，排氣閥68立刻打開。壓縮的熱空氣 從壓縮室40傳送到活塞間的空間，準(zhǔn)備將能量經(jīng)由熱交換器構(gòu)件80傳送到負(fù)載。9 曲柄再次位于下死點(diǎn)。所有的閥被關(guān)閉，活塞組件即將開始向上移動(dòng)。在上述運(yùn)轉(zhuǎn)中，應(yīng)當(dāng)注意到a)每次壓縮側(cè)上的閥34和68中僅有一個(gè)是開啟的，并且當(dāng)一個(gè)閥開啟時(shí)各側(cè)的 壓力近似相等；b)每次膨脹側(cè)上的閥128和104中僅有一個(gè)是開啟的，并且當(dāng)一個(gè)閥開啟時(shí)各側(cè) 的壓力近似相等。膨脹室最初通過恰好在上死點(diǎn)(TDC)之前關(guān)閉排氣閥而受壓，這預(yù)壓縮了熱交換 器室的水平面，上行程期間被壓縮的閥驅(qū)動(dòng)器彈出，推動(dòng)膨脹室遠(yuǎn)離其位置，使膨脹室進(jìn)氣 閥各側(cè)的壓力相等。隨著活塞遠(yuǎn)離汽缸頭，當(dāng)閥驅(qū)動(dòng)器停止移動(dòng)時(shí)，閥與閥驅(qū)動(dòng)器不再接 觸，這就關(guān)閉了閥。設(shè)置驅(qū)動(dòng)器的移動(dòng)從而控制膨脹比率，并且由于壓縮僅經(jīng)由自動(dòng)閥到達(dá) 熱交換空間，也控制空間內(nèi)的壓力。由于每次循環(huán)的熱交換空間的體積為體積流動(dòng)的約15 至20倍，壓力波動(dòng)很小，控制熱交換空間內(nèi)基本恒定的壓力非常簡單。膨脹室閥運(yùn)轉(zhuǎn)膨脹室閥以氣塞的形式運(yùn)轉(zhuǎn)，在兩氣壓間循環(huán)空氣。膨脹室的用途是讓來自熱交 換器的加壓(冷)空氣，在排放該氣體之前回到大氣壓，使得氣動(dòng)損耗最小。這意味著i)吸收注入加壓熱交換器的空氣ii)將其降壓為大氣壓iii)將大部分注入的空氣排出到大氣中
iv)但是僅在汽缸內(nèi)留下足夠的空氣，從而重新將其加壓為熱交換器的氣壓v)然后吸收另一注入的加壓熱交換器的空氣，并且重復(fù)上述循環(huán)。各行程期間，壓縮活塞將定量氣體添加到熱交換器。唯一的變量是添加氣體處的 氣壓，以及為使該氣體達(dá)到該氣壓所需的做功量。膨脹進(jìn)氣閥閉合的正時(shí)決定留在室內(nèi)的壓縮氣體被膨脹的量。實(shí)質(zhì)上熱交換空間 內(nèi)的氣壓將持續(xù)升高，直到各行程氣體膨脹和排出的量等于進(jìn)入的量。如果要求氣壓減小，可使膨脹進(jìn)氣閥遲些關(guān)閉，體積就得以增加。如果要求氣壓增大，可使膨脹進(jìn)氣閥早些關(guān)閉，體積就得以減少。然而，一定不能讓膨脹進(jìn)氣閥太遲才關(guān)閉，以致于氣體量太大，從而使膨脹室內(nèi)的 氣壓即使在下死點(diǎn)(BDC)也決不會(huì)降低到環(huán)境氣壓。這個(gè)單一的控制決定整個(gè)系統(tǒng)的氣壓與熱交換器內(nèi)達(dá)到的溫度。實(shí)際溫度是進(jìn)氣 氣體溫度的另外一個(gè)函數(shù)，但通過提高系統(tǒng)的氣壓，可增加熱交換器內(nèi)的溫度。有關(guān)膨脹室閥的操作步驟(當(dāng)膨脹活塞從位置BDC通過位置2移動(dòng)到位置3TDC， 然后從位置3通過位置4返回到位置1BDC)簡述如下排氣閥開啟并且膨脹氣體從膨脹室排出
熱泵膨脹1
活塞位置1 (下死點(diǎn))
活塞方向靜止
膨脹進(jìn)氣閥關(guān)閉
排氣閥開啟
膨脹室環(huán)境氣壓
熱泵膨脹2
活塞位置從1移動(dòng)到2
活塞方向向上移動(dòng)
膨脹進(jìn)氣閥關(guān)閉
排氣閥開啟
膨脹室環(huán)境氣壓
熱泵膨脹3
活塞位置到達(dá)2
活塞方向向上移動(dòng)
膨脹進(jìn)氣閥關(guān)閉
排氣閥開啟
膨脹室環(huán)境氣壓
排氣閥關(guān)閉讓剩余氣體被重新壓縮到熱交換器氣壓
熱泵膨脹4
活塞位置2
活塞方向向上移動(dòng)
膨脹進(jìn)氣閥關(guān)閉
排氣閥關(guān)閉
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膨脹室從熱交換器氣壓下降到環(huán)境氣壓0190]注入的氣體膨脹回到環(huán)境氣壓0191]熱泵膨脹110192]活塞位置從4移動(dòng)到10193]活塞方向向下移動(dòng)0194]膨脹進(jìn)氣閥關(guān)閉0195]排氣閥關(guān)閉0196]膨脹室從熱交換器氣壓降低到環(huán)境氣壓0197]熱泵膨脹120198]活塞位置從4移動(dòng)到10199]活塞方向向下移動(dòng)0200]膨脹進(jìn)氣閥關(guān)閉0201]排氣閥關(guān)閉0202]膨脹室從熱交換器氣壓降低到環(huán)境氣壓0203]圖4顯示熱泵10的理想P-V(氣壓與體積關(guān)系)曲線圖。圖右側(cè)的曲線150表示
從環(huán)境溫度和氣壓的等熵壓縮；直線部分160表示流體通過熱交換器構(gòu)件80時(shí)的等壓冷 卻；圖左側(cè)的曲線170表示等熵膨脹回到環(huán)境氣壓。當(dāng)然由于實(shí)際循環(huán)存在的不可逆轉(zhuǎn)的 工序，實(shí)際的P-V曲線圖可能會(huì)顯示出與理想循環(huán)有一些不同。采用圖3中P-V圖所示的理想循環(huán)，可預(yù)測出下列性能數(shù)字 在上述例子中，假定熱泵10具有直徑為0. 6m的壓縮和膨脹汽缸，每分鐘循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn) 800次，并且對于為2. 423kw的輸入機(jī)械功率，輸出給負(fù)載的功率為llkw。假定熱交換器效 率為90 %，假設(shè)負(fù)載從初始的10攝氏度被加熱到90攝氏度，并且排出的氣體(本例中的空 氣)噴出的溫度為-49攝氏度。上例表示負(fù)載流體溫度變化為80攝氏度。當(dāng)負(fù)載流被加熱使初始溫度高于最初 值(在循環(huán)熱系統(tǒng)流中會(huì)發(fā)生)，工作氣流被負(fù)載流冷卻到較低的溫度，這導(dǎo)致了膨脹階段 可得更多的功，這樣盡管性能系數(shù)基本上保持不變，使每次循環(huán)的輸入功得以降低。在極端情況下，負(fù)載初始為與離開壓縮機(jī)階段的氣流相同的溫度，無熱功作用在負(fù)載上，并且通過 壓縮添加到氣體上的所有能量可用于膨脹。對于理想循環(huán)，這樣通過膨脹回復(fù)的能量恰好 等于壓縮的能量，并且因此無需機(jī)械功來驅(qū)動(dòng)裝置。這顯然僅適用于理想的無摩擦、無損耗 系統(tǒng)，但用于說明理想的性能系數(shù)僅是輸入環(huán)境工作氣體和負(fù)載流峰值溫度之間溫差的函 數(shù)。這個(gè)溫差通過壓縮和膨脹比率控制，由于壓縮閥可為自動(dòng)的(例如由壓差驅(qū)動(dòng))，裝置 的氣壓比及輸出溫度可完全通過膨脹階段的進(jìn)氣閥正時(shí)來控制?？蛇M(jìn)一步注意到，壓縮機(jī)實(shí)際循環(huán)內(nèi)的、并由于迫使氣流通過小孔篩而產(chǎn)生的損 耗可表示為由負(fù)載流提取的熱。能量損耗唯一不能被負(fù)載流獲得的點(diǎn)位于膨脹階段的進(jìn)氣 和一旦氣體已排出熱交換器構(gòu)件之間。如果驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)/動(dòng)力源生成廢熱，也可利用該廢熱 使進(jìn)氣流也成為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的冷卻流。系統(tǒng)內(nèi)低于膨脹進(jìn)氣水平的損耗將使性能系數(shù)(COP) 減小，但仍將使負(fù)載流有效加熱。圖5顯示了包括主體20，的熱泵10，，主體20，包括進(jìn)氣構(gòu)件30，、壓縮室40，、壓 縮構(gòu)件60’、熱交換器構(gòu)件(未顯示)、膨脹室124’、膨脹構(gòu)件120’以及排氣構(gòu)件100’。進(jìn)氣構(gòu)件30’包括多個(gè)進(jìn)氣孔32’，其各具有相應(yīng)的進(jìn)氣球閥34’。各進(jìn)氣球閥 34’包括球35，該球被限制在與相應(yīng)的進(jìn)氣孔32’連接的通道內(nèi)移動(dòng)。當(dāng)壓縮室40’內(nèi)的 氣壓大于大氣壓時(shí)，使各球35頂住其相應(yīng)的進(jìn)氣孔32’將孔密封。當(dāng)壓縮室40’內(nèi)的氣壓 下降為大氣壓時(shí)，球35可自由移動(dòng)離開其相應(yīng)的進(jìn)氣孔32’使空氣進(jìn)入。壓縮構(gòu)件60’包括與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)64’相連接的單壓縮活塞62’。壓縮活塞62’滑動(dòng) 安裝于壓縮室40’內(nèi)，并且設(shè)置為壓縮包含在其中的氣體。壓縮活塞62’具有包括多個(gè)孔 66’的活塞面63’，各孔具有相應(yīng)的排氣球閥68’，其設(shè)置于活塞的頂表面，用于控制氣體流 經(jīng)活塞孔66，。各排氣球閥68，包括球69，該球被限制在與相應(yīng)的孔66，連接的通道內(nèi)移 動(dòng)。當(dāng)壓縮室40’內(nèi)的氣壓低于熱交換器構(gòu)件內(nèi)的氣壓時(shí)，使各球69頂住其相應(yīng)的孔66’ 以將孔密封。當(dāng)活塞面63’兩側(cè)的氣壓相等時(shí)，球34可自由移動(dòng)離開其相應(yīng)的孔66’使壓 縮氣體通過活塞面63’。使用中，經(jīng)由進(jìn)氣構(gòu)件30’進(jìn)入熱泵10’的空氣被允許進(jìn)入壓縮室40’。一旦空 氣進(jìn)入壓縮室40’，當(dāng)壓縮活塞62’由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)64’啟動(dòng)(此時(shí)活塞孔66’被熱交換器構(gòu) 件80’內(nèi)的氣壓密封)，進(jìn)氣孔32’被進(jìn)氣球閥34’密封。一旦壓縮室內(nèi)包含的空氣已被壓 縮構(gòu)件60’壓縮，當(dāng)送氣球閥68’自動(dòng)打開時(shí)，氣體經(jīng)由出氣口 83被傳送到熱交換器構(gòu)件 (未顯示)。在將熱交換器構(gòu)件(未顯示)內(nèi)的壓縮氣體傳送到膨脹室124’ (經(jīng)由進(jìn)氣閥 85)以供膨脹構(gòu)件120’進(jìn)一步處理前，去除該氣體內(nèi)的熱能和水蒸氣。提供活動(dòng)密封200、 201,202以確保氣體通過熱泵的每一階段。膨脹構(gòu)件120’包括膨脹活塞122’，其通過輕質(zhì)互連支柱101’與壓縮活塞62’連 接，并且滑動(dòng)安裝于膨脹室124’內(nèi)。輕質(zhì)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)(或“結(jié)構(gòu)活塞核”)103與支柱101’相 連接以增加剛性。膨脹活塞122’具有包括多個(gè)孔126’的活塞表面123’和放置在其下側(cè) 用于控制氣體流經(jīng)膨脹活塞孔126’的旋轉(zhuǎn)膨脹進(jìn)氣閥128’。旋轉(zhuǎn)膨脹進(jìn)氣閥128’包含圓盤129，其包括與活塞面123’上的孔126’相對齊的 多個(gè)孔130’，以及多個(gè)弧形槽(未加插圖)，各弧形槽用于容置和允許相應(yīng)的互連支柱101’ 振動(dòng)。圓盤129旋轉(zhuǎn)安裝于活塞面123’，并且可從第一位置旋轉(zhuǎn)到第二位置，在第一位置孔 126’和130’相對齊，在第二位置所有的孔126’和130’都不對齊。在第二位置中，圓盤12915/16 頁
被推頂在活塞面123’將孔122’密封。如圖6A-6C所示，圓盤129包括多個(gè)滾動(dòng)軸承135， 各滾動(dòng)軸承安裝在圓盤129內(nèi)相應(yīng)的槽137中。活塞表面123’包括多個(gè)楔形(或凸輪狀) 槽138，各用于容置相應(yīng)的滾動(dòng)軸承135。楔形槽138和槽137被設(shè)置為當(dāng)圓盤在第二位置 內(nèi)時(shí)，完全容置滾動(dòng)軸承135。當(dāng)圓盤129從第二位置旋轉(zhuǎn)到第一位置時(shí)，錐形槽138的剖 面深度減小使圓盤129和活塞表面123’分離。圓盤129通過置于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)64’的驅(qū)動(dòng)軸 65內(nèi)的第一可旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器140進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。圓盤129可偏壓于第二位置(例如，通過與第一 可旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器相連接的彈簧)。排氣構(gòu)件100’包括多個(gè)出氣孔102’和旋轉(zhuǎn)排氣閥104’。旋轉(zhuǎn)排氣閥104’包括 圓盤105，其包括與出氣孔102’對齊的多個(gè)孔(未顯示)。圓盤105可旋轉(zhuǎn)地安裝于主體 20’的底面22’，并且可從第一位置旋轉(zhuǎn)到第二位置，在第一位置圓盤105內(nèi)的孔和出氣孔 102’相對齊，在第二位置圓盤105內(nèi)的孔和出氣孔102’不在相對齊。在第二位置中，圓盤 105被推頂在主體20’的底面22’以密封孔102’。旋轉(zhuǎn)膨脹進(jìn)氣閥104’的形式和運(yùn)作與上 述的旋轉(zhuǎn)膨脹進(jìn)氣閥128’相對應(yīng)。圓盤105通過第二可旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器(未顯示)旋轉(zhuǎn)。圓 盤105可偏壓于第二位置(例如，通過與第二可旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器相連接的彈簧)。可對熱泵10和10’做適當(dāng)?shù)男薷?。例如?qū)動(dòng)軸可穿過其基座進(jìn)入主體。壓縮階 段可在主體的頂端進(jìn)行，膨脹階段在底部進(jìn)行。氣流也可倒轉(zhuǎn)，使得環(huán)境空氣從主體的側(cè)面 進(jìn)出，壓縮空氣從主體的頂部和底部排出。此外，壓縮和膨脹活塞可以分開及獨(dú)立地運(yùn)作。 例如熱泵可配有置于單壓縮室內(nèi)的單壓縮活塞(活塞表面的一側(cè)排氣到大氣中)和置于單 膨脹室內(nèi)內(nèi)的單膨脹活塞(活塞表面的一側(cè)排氣到大氣中)?；蛘撸稍O(shè)置雙壓縮室以允許 活塞表面的兩側(cè)都用來壓縮氣體；并且/或者可設(shè)置雙膨脹室以允許膨脹活塞表面的兩側(cè) 都用來膨脹氣體。腿本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)許多熱泵系統(tǒng)存在的問題是單元冷端上的積冰。根據(jù)本發(fā)明制造的熱泵可以抑制 結(jié)冰問題，因?yàn)檫M(jìn)入熱泵的攜帶濕氣的空氣將高于環(huán)境冷凍條件，或在凍霧的最差情況時(shí) 也只是略微低于環(huán)境冷凍條件。熱泵內(nèi)的壓縮會(huì)使溫度升高到冷凍水平之上，通過負(fù)載將 受壓流冷卻將使單元內(nèi)的水在其作為液體被噴出處冷凝為液體。進(jìn)入膨脹器的氣流與輸入 流相比非常干，因此冰的形成就有限。本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)是從流提取的濕氣蒸發(fā)的熱量可 用于負(fù)載?？傊?，本發(fā)明提供的熱泵具有較高的潛在性能系數(shù)，其大多數(shù)會(huì)發(fā)生的機(jī)械和熱 損失將轉(zhuǎn)化成可用于負(fù)載的熱能。安裝在家庭環(huán)境內(nèi)的成本有可能非常低，大概等于簡易 鍋爐的安裝成本。通過本發(fā)明的固有屬性，與熱泵相關(guān)的常見問題諸如大的遠(yuǎn)程熱收集安 裝和積冰可得到緩解，甚至可避免。壓縮階段的閥設(shè)置對于高C0P，基本具有下列氣流特性i)低氣動(dòng)損失，例如低氣流速率ii)高空氣流量iii)當(dāng)閥打開時(shí)，氣流的面積大當(dāng)采用比活塞直徑短的活塞行程設(shè)置時(shí)，可采用大活塞面，但只是汽缸壁的面積
17較小。這意味著提供直接通過活塞面的閥是較佳的。壓縮閥可為自驅(qū)動(dòng)的，并且因而操作是簡單的。閥的可能選擇包括i)盤狀閥ii)多球閥iii)簧片閥對于高運(yùn)行速度，可能需要啟動(dòng)這些閥，在此情形下，它們需要設(shè)計(jì)成沿與膨脹閥 相同的一行排列。膨脹階段的閥設(shè)置對于高C0P，必需具有下列氣流特性iv)低氣動(dòng)損耗，例如低氣流速率v)高空氣流量vi)當(dāng)閥打開時(shí)，氣流的面積大當(dāng)采用相比活塞直徑而言較短的活塞行程設(shè)置時(shí)，提供直接通過活塞面的閥也是 較佳的。膨脹閥需要物理啟動(dòng)(機(jī)械、壓力或電氣/電子)。它們可以是i)盤狀閥ii)(間歇)回轉(zhuǎn)閥
權(quán)利要求
一種膨脹活塞組件，包括膨脹室構(gòu)件；膨脹進(jìn)氣閥，允許氣體從加壓氣源通入所述膨脹室構(gòu)件；膨脹活塞構(gòu)件，用于使容置于所述膨脹室構(gòu)件內(nèi)的氣體膨脹；以及排氣閥，用于在膨脹后從所述組件排出氣體；其中所述膨脹進(jìn)氣閥和所述排氣閥中的至少一個(gè)被設(shè)置成，當(dāng)該至少一個(gè)閥兩邊的氣壓基本相等時(shí)，其是開啟的。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述排氣閥被設(shè)置成關(guān)閉以避免將所述膨脹室構(gòu)件 內(nèi)的氣體全部排出，并且所述膨脹活塞構(gòu)件被設(shè)置成將所述膨脹室構(gòu)件內(nèi)余留的氣體壓縮 到與所述加壓氣源的氣壓基本相等的壓力。
3.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中所述排氣閥被設(shè)置為，當(dāng)所述膨脹室構(gòu)件內(nèi)的氣 壓基本等于基壓或大氣壓時(shí)，所述排氣閥是開啟的。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中所述膨脹活塞構(gòu)件包括可在第一位置和第二位置之間移動(dòng)的膨脹活塞，當(dāng)所述氣體做 功使所述膨脹活塞從所述第一位置移動(dòng)到所述第二位置時(shí)，所述膨脹室構(gòu)件內(nèi)包含的氣體 發(fā)生膨脹；以及所述排氣閥被設(shè)置為，當(dāng)所述膨脹活塞從所述第一位置向所述第二位置移動(dòng)時(shí)以及在 到達(dá)所述第二位置之前，所述排氣閥是開啟的。
5.用作熱泵的裝置，包括 壓縮室構(gòu)件；壓縮進(jìn)氣閥，其允許氣體進(jìn)入所述壓縮室構(gòu)件；壓縮活塞構(gòu)件，用于壓縮所述壓縮室構(gòu)件內(nèi)包含的氣體；熱交換器構(gòu)件，用于接收被所述壓縮構(gòu)件壓縮的氣體的熱能；壓縮導(dǎo)出閥，其允許氣體從所述壓縮活塞構(gòu)件進(jìn)入所述熱交換器構(gòu)件；以及膨脹活塞段，用于容置暴露于所述熱交換器構(gòu)件之后的加壓氣體；其中所述膨脹活塞段包括根據(jù)權(quán)利要求1-4中任意一項(xiàng)所述的膨脹活塞組件。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述氣體為空氣。
7.一種包括如權(quán)利要求5或6所述裝置的制冷機(jī)。
8.一種包括如權(quán)利要求5或6所述裝置的熱機(jī)。
全文摘要
用作熱泵的裝置(10’)包括壓縮室構(gòu)件(40’)、允許氣體進(jìn)入所述壓縮室構(gòu)件的進(jìn)氣構(gòu)件(30’)、用于壓縮所述壓縮室構(gòu)件內(nèi)包含的氣體的壓縮構(gòu)件(60’)、用于接收被所述壓縮構(gòu)件壓縮的氣體的熱能的熱交換器構(gòu)件、用于容置與熱交換器構(gòu)件接觸后的氣體的膨脹室構(gòu)件(124’)、使容置于膨脹室構(gòu)件內(nèi)的氣體膨脹的膨脹構(gòu)件(120’)，以及用于在膨脹后從膨脹室構(gòu)件排出氣體的排氣構(gòu)件(100’)。
文檔編號F25B9/00GK101858664SQ20091021173
公開日2010年10月13日 申請日期2006年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月23日
發(fā)明者喬納森·塞巴斯蒂安·豪斯, 詹姆斯·麥克納斯滕 申請人:喬納森·塞巴斯蒂安·豪斯;詹姆斯·麥克納斯滕