本發(fā)明涉及在熱驅(qū)動熱泵中的熱交換器的布置。

背景技術(shù)：

在圖1中示出現(xiàn)有技術(shù)的維勒米爾(Vuilleumier)熱泵5。熱置換器1和冷置換器2由曲柄4驅(qū)動。圖2中繪出了冷置換器2的上端和熱置換器1的下端，二者具有90°的相位差。置換器在氣缸中往復(fù)運動，而兩個置換器的路徑在氣缸的中間區(qū)域重疊。

在2013年4月11日提交的共同轉(zhuǎn)讓的專利申請PCT/US13/36101中公開了一種熱驅(qū)動熱泵，其中置換器被機電一體地致動。置換器被獨立地致動以使得一個置換器在另一置換器運動的時候可保持靜止。在PCT/US13/36101中公開的熱泵中，沒有一個置換器會往復(fù)運動至另一置換器的沖程內(nèi)，即，在兩個置換器的空間內(nèi)沒有重疊。這與圖2中針對曲柄驅(qū)動的維勒米爾熱泵所示的運動相反，在圖2所示的曲柄驅(qū)動的維勒米爾熱泵中置換器在空間上重疊，但并不在時間上重疊以避免置換器碰撞。具有獨立致動的置換器的熱泵，例如PCT/US13/36101申請中公開的，提供了在置換器的運動受曲柄幾何結(jié)構(gòu)約束的熱泵中所不能達到的機會。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了利用和曲柄運動相關(guān)聯(lián)的現(xiàn)有的維勒米爾熱泵上的獨立置換器操作所提供的機會，公開了一種熱泵，包括殼體，所述殼體具有：熱帽部、冷帽部、鄰近所述熱帽部的熱氣缸部分，以及鄰近所述冷帽部的冷氣缸部分。所述熱泵包括置于所述冷氣缸部分內(nèi)的冷置換器、置于所述熱氣缸部分內(nèi)的熱置換器、聯(lián)接至所述冷帽部并沿著所述冷氣缸部分的中心線朝所述熱帽部延伸的柱、以及基本上呈碟形(disk-shaped)的溫的熱交換器。所述溫的熱交換器位于所述冷置換器和所述熱置換器之間。所述溫的熱交換器內(nèi)限定有開口，以容納所述柱。所述溫的熱交換器內(nèi)的開口的直徑小于所述冷置換器的直徑。所述溫的熱交換器被收容于溫的熱交換器氣缸部分內(nèi)。在一些實施方式中，所述熱氣缸部分、所述冷氣缸部分及所述溫的熱交換器氣缸部分具有相同直徑。

所述溫的熱交換器具有入口和出口，所述入口穿入所述溫的熱交換器氣缸部分，所述出口穿入所述溫的熱交換器氣缸部分。

在一個實施方式中，所述溫的熱交換器包括螺旋形包繞的至少一個管道，并且所述螺旋的相鄰圈相隔至多一預(yù)設(shè)距離。所述熱氣缸部分和冷氣缸部分內(nèi)的工作流體響應(yīng)于所述置換器的運動，流經(jīng)所述螺旋的相鄰圈之間的間隔。替代地，所述溫的熱交換器包括管殼式熱交換器，所述熱氣缸部分和冷氣缸部分內(nèi)的工作流體響應(yīng)于所述置換器的運動，流經(jīng)管道之間。替代地，任何適當(dāng)?shù)臒峤粨Q器配置可被提供作所述溫的熱交換器。

所述熱泵還可包括熱的熱交換器、熱再生器、冷的熱交換器和冷再生器，所述熱的熱交換器位于鄰近所述熱帽部處并且流體聯(lián)接至所述熱氣缸部分內(nèi)的腔室，所述熱再生器的一端流體聯(lián)接至所述熱的熱交換器并且一端流體聯(lián)接至所述冷氣缸部分內(nèi)的腔室，所述冷的熱交換器流體聯(lián)接至所述冷氣缸部分內(nèi)的冷腔室，所述冷再生器的一端流體聯(lián)接至所述冷的熱交換器并且一端流體聯(lián)接至所述熱氣缸部分內(nèi)的溫?zé)崆皇摇?/p>

所述熱置換器的往復(fù)運動受到所述熱帽部和所述溫的熱交換器的限制。所述冷置換器的往復(fù)運動受到所述冷帽部和所述溫的熱交換器的限制。

所述熱泵還可包括熱的熱交換器，其鄰近于所述熱帽部并流體聯(lián)接至所述熱氣缸部分內(nèi)的熱腔室；冷的熱交換器，其流體聯(lián)接至所述冷氣缸部分內(nèi)的冷腔室；環(huán)形的熱再生器，其布置于所述熱氣缸部分外；以及環(huán)形的冷再生器，其布置于所述冷氣缸部分外。所述熱再生器的第一端流體聯(lián)接至所述熱的熱交換器，所述熱再生器的第二端流體聯(lián)接至所述冷氣缸部分內(nèi)的溫冷腔室。所述冷再生器的第一端流體聯(lián)接至所述冷的熱交換器，所述冷再生器的第二端流體聯(lián)接至所述熱氣缸部分內(nèi)的溫?zé)崆皇摇?/p>

熱腔室由所述熱帽部、所述熱氣缸部分和所述熱置換器限定邊界。冷腔室由所述冷帽部、所述冷氣缸部分和所述冷置換器限定邊界。溫?zé)崆皇矣伤鰷氐臒峤粨Q器、所述熱氣缸部分和所述熱置換器限定邊界。溫冷腔室由所述溫的熱交換器、所述冷氣缸部分和所述冷置換器限定邊界。

還公開了一種熱泵，包括熱泵殼體，所述熱泵殼體具有：熱帽部、冷帽部、靠近所述熱帽部的熱氣缸部分，以及靠近所述冷帽部的冷氣缸部分。所述熱泵具有置于所述冷氣缸部分內(nèi)的冷置換器、置于所述熱氣缸部分內(nèi)的熱置換器、以及位于所述熱氣缸部分和所述冷氣缸部分之間的基本上呈碟形的溫的熱交換器。所述冷置換器在所述溫的熱交換器和所述冷帽部之間往復(fù)運動；并且所述熱置換器在所述溫的熱交換器和所述熱帽部之間往復(fù)運動。

所述熱泵具有聯(lián)接至所述冷帽部并沿著所述冷氣缸部分的中心線朝所述熱帽部延伸的柱。所述溫的熱交換器內(nèi)限定有開口，以容納所述柱。所述溫的熱交換器內(nèi)的開口的直徑小于所述冷置換器的直徑。

所述熱泵還包括：位于鄰近所述熱帽部處并流體聯(lián)接至所述熱氣缸部分的熱的熱交換器，一端流體聯(lián)接至所述熱的熱交換器并且一端流體聯(lián)接至所述冷氣缸部分的熱再生器，流體聯(lián)接至所述冷氣缸部分的冷的熱交換器，以及一端流體聯(lián)接至所述冷的熱交換器并且一端流體聯(lián)接至所述熱氣缸部分的冷再生器。

所述熱泵可包括：布置于所述熱氣缸部分外的環(huán)形的熱再生器，布置于所述冷氣缸部分外的環(huán)形的冷再生器，由所述熱氣缸部分、所述熱置換器和所述熱帽部限定邊界的熱腔室，由所述熱氣缸部分、所述熱置換器和所述溫的熱交換器限定邊界的溫?zé)崆皇遥伤隼錃飧撞糠?、所述冷置換器和所述溫的熱交換器限定邊界的溫冷腔室，由所述冷氣缸部分、所述冷置換器和所述冷帽部限定邊界的冷腔室，流體聯(lián)接至所述熱腔室和所述熱再生器的熱的熱交換器，以及流體聯(lián)接至所述冷腔室和所述冷再生器的冷的熱交換器。所述熱再生器流體聯(lián)接至所述熱的熱交換器和所述溫冷腔室。所述冷再生器流體聯(lián)接至所述冷的熱交換器和所述溫?zé)崆皇摇?/p>

在一些實施方式中，熱泵還具有置于熱帽部內(nèi)的熱的熱交換器以及環(huán)形地圍繞冷氣缸部分布置的冷的熱交換器。

根據(jù)本發(fā)明的實施方式，熱泵具有：殼體，殼體具有在殼體一端的熱帽部和在殼體另一端的冷帽部；殼體內(nèi)的氣缸；基本上呈碟形的溫的熱交換器，其置于殼體內(nèi)并粗略位于熱帽部和冷帽部之間的中間位置；熱置換器，其置于溫的熱交換器和熱帽部之間的氣缸部分內(nèi)；以及冷置換器，其置于溫的熱交換器和冷帽部之間的氣缸部分內(nèi)。氣缸具有熱氣缸部分和冷氣缸部分。熱腔室由所述熱帽部、所述熱氣缸部分和所述熱置換器限定邊界。冷腔室由所述冷帽部、所述冷氣缸部分和所述冷置換器限定邊界。溫?zé)崆皇矣伤鰷氐臒峤粨Q器、所述熱氣缸部分和所述熱置換器限定邊界。溫冷腔室由所述溫的熱交換器、所述冷氣缸部分和所述冷置換器限定邊界。熱泵包括：近似流體連聯(lián)接至所述熱腔室的熱的熱交換器，流體聯(lián)接至所述冷腔室的冷的熱交換器，熱再生器和冷再生器。所述熱再生器的第一端流體聯(lián)接至所述熱的熱交換器，所述熱再生器的第二端流體聯(lián)接至溫冷腔室。所述冷再生器的第一端流體聯(lián)接至所述冷的熱交換器，所述冷再生器的第二端流體聯(lián)接至溫?zé)崆皇摇?/p>

在一些實施方式中，熱再生器在熱帽部近旁環(huán)形地布置于氣缸外，而冷再生器在冷帽部近旁環(huán)形地布置于氣缸外。

在置換器由曲柄布置驅(qū)動的熱泵中，除非要將置換器隔開使它們不會與同一空間重疊，否則溫的熱交換器不能位于氣缸內(nèi)。這種布置會產(chǎn)生太多的死區(qū)容積，并嚴重降低熱效率。機電一體驅(qū)動的熱泵允許溫的熱交換器位于氣缸內(nèi)，而不具有這樣大的死區(qū)容積。在現(xiàn)有技術(shù)中溫的熱交換器是在氣缸外的環(huán)形容積內(nèi)，相比于現(xiàn)有技術(shù)的配置，氣缸中的氣體能迅速流動到溫的熱交換器上方。

本發(fā)明的配置的一個優(yōu)點在于，溫的熱交換器相比于位于環(huán)形容積內(nèi)的熱交換器更容易制造。換熱裝置置于通道中的實施方式的另一優(yōu)點在于，換熱裝置相比于環(huán)形更容易制造成圓形或其他簡單的截面形狀。而一些可替代的實施方式的另一優(yōu)點在于通過消除連至或自溫的熱交換器連出的通道來減小死區(qū)容積。

圖1中的維勒米爾熱泵5具有四個熱交換器：熱的熱交換器6、溫?zé)岬臒峤粨Q器7、溫冷的熱交換器8和冷的熱交換器9。當(dāng)熱置換器1向下運動而冷置換器2基本靜止(以其最慢速度運動、接近在其下方位置反向)或者最小地運動時，置換器1和2之間的氣體被推動穿過溫?zé)岬臒峤粨Q器7進入熱腔室(氣缸中熱置換器1上方的容積)。當(dāng)冷置換器2向上運動而熱置換器1基本靜止(以其最慢速度運動、接近在其上方位置反向)時，置換器1和2之間的氣體被推動穿過溫冷的熱交換器8并穿過再生器和冷腔室(氣缸中冷置換器2下方的容積)。循環(huán)中有時候，氣體被自溫?zé)嶂脫Q器7抽出進入置換器之間的空間，而在另一些時候被自溫冷置換器8抽出進入置換器之間的空間。與若可采用單個熱交換器的情況相比具有更多的死區(qū)容積，這在此方面呈現(xiàn)出低效率，簡單地說事實就是有兩個熱交換器以及用于兩個熱交換器的成本和復(fù)雜性及額外的管道設(shè)備。然而，根據(jù)本發(fā)明的實施方式的其他優(yōu)點包括：單個溫的熱交換器，以及自置換器之間的空間至溫的熱交換器無管路設(shè)備。取而代之的是，氣體直接從單個溫的熱交換器的一側(cè)流動。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)的維勒米爾熱泵的示意圖，其中置換器由曲柄驅(qū)動；

圖2為圖1的曲柄驅(qū)動的置換器的置換器運動的示意圖；

圖3為具有機電一體致動的置換器的熱泵；

圖4和圖16為根據(jù)本發(fā)明的實施方式的熱泵的示意圖；

圖5至圖15為在一系列置換器位置上的圖4的熱泵的示意圖；

圖17和圖18為溫的熱交換器的實施方式的俯視圖；以及

圖19為根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的熱泵的示意圖。

具體實施方式

如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員會理解的那樣，參考任一附圖說明及描繪的實施方式的不同特征可與在一個或多個其他附圖中描繪的特征相結(jié)合，以產(chǎn)生未明確描繪或說明的可替代的實施方式。描繪的特征的結(jié)合提供了用于典型應(yīng)用的代表性的實施方式。但是與本申請的教導(dǎo)一致的各種特征組合及變型可能是特定的應(yīng)用或?qū)嵤┲兴枰?。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以認識到相似的應(yīng)用或?qū)嵤?，無論其是否被明確地說明或描繪。

如圖3中所示，熱驅(qū)動熱泵300具有殼體302，殼體302在每一端具有熱帽部304。殼體302內(nèi)為氣缸306。在殼體302和氣缸306之間的環(huán)形空間中，布置有熱再生器332、溫的熱交換器334、冷再生器336和冷的熱交換器338。熱置換器312和冷置換器314置于氣缸306內(nèi)并且限定熱腔室320、溫腔室322和冷腔室326的邊界。柱318聯(lián)接至冷帽部302。置換器312和314在ECU 340的控制下在氣缸306內(nèi)往復(fù)運動。置換器312和314具有彈簧(未示出)，其使得置換器分別在上方位置和下方位置之間振動。與置換器312和314相關(guān)聯(lián)的電磁體和鐵磁板也未示出。ECU 340向電磁體提供信號以吸引鐵磁板從而在置換器的極端位置之一抓住置換器。電磁體能止住其相關(guān)聯(lián)的置換器，直至ECU 340指令電磁體斷電從而使得置換器得以在彈簧控制下動作以運動至其另一極端位置。置換器的機電一體控制的更多細節(jié)可見于：2013年4月11日提交的專利申請PCT/US13/36101中。

繼續(xù)參照圖3，能源(未示出)經(jīng)由熱的熱交換器330向殼體302內(nèi)的工作流體提供能量。當(dāng)熱置換器312向上移動時，氣體自熱腔室320流入熱的熱交換器330、流入熱再生器332、流入溫的熱交換器334，并通過氣缸306中的開口344流入溫腔室322，以及在熱置換器312向下移動時氣體以相反順序流動。當(dāng)冷置換器314向下移動時，冷腔室326中的工作流體通過氣缸316中的開口342運動至冷的熱交換器338內(nèi)、冷再生器336內(nèi)、熱的熱交換器334內(nèi)，并經(jīng)由氣缸306中的開口344進入溫腔室332內(nèi)，以及在冷置換器314向上移動時工作流體以相反順序流動。熱交換器334和338具有兩種交換能量的流體：工作流體和第二流體，例如液體。在一個實施方式中，熱泵提供本地加熱，而第二流體為水，水在溫的熱交換器334中得到加熱。在這樣的實施方式中，能量取自提供給冷的熱交換器338的流體。在另一實施方式中，第二流體被提供至冷的熱交換器338用于冷卻目的。在這樣的實施方式中，能量經(jīng)由提供至溫的熱交換器334的另一流體被消耗。用于除工作流體外的流體至熱交換器330、334和338的入口和出口的提供在圖3中未示出。

圖3的置換器的運動的一個例子在圖4中示出。曲線240描繪了熱置換器(圖3中312)的底部邊緣的運動，而線242示出了冷置換器(圖3中314)的上緣的運動。在時刻0，置換器彼此鄰近。在時刻0，止住熱置換器的電磁體斷電，從而使得熱置換器得以向其上方位置運動。這種運動大致呈正弦曲線狀。在時刻a，上方的電磁體通電以抓住并止住熱置換器。自時刻0至a，冷置換器在其上方位置保持靜止。在時刻a，抓住冷置換器的電磁體斷電，從而使得冷置換器得以向下運動。在時刻2a，與冷置換器相關(guān)聯(lián)的電磁體抓住冷置換器。自時刻0至?xí)r刻4a，電磁體通電及斷電以完成一個循環(huán)，并繼續(xù)。為符合加熱或冷卻的需要，熱置換器和冷置換器的停留期能夠被延長以改變這一循環(huán)。

圖5中示出了熱泵10，熱泵10的內(nèi)部具有在熱氣缸部分16中往復(fù)運動的熱置換器12以及在冷氣缸部分17中往復(fù)運動的冷置換器14。通過柱18提供控制電磁體(未示出)的電子控制。柱18自冷帽部38朝熱帽部28沿中心線31延伸。熱腔室60在熱置換器12上方，而溫?zé)崆皇?2在熱置換器12下方。冷腔室66在冷置換器14下方，而溫冷腔室在冷置換器14上方。熱的熱交換器20鄰近熱泵10的熱帽部28。在一些實施方式中，熱的熱交換器20可以同燃燒器相接觸。或者，在另一些實施方式中，采用其他能源例如太陽能收集器。溫的熱交換器40在溫的熱交換器氣缸部分15內(nèi)，溫的熱交換器氣缸部分15位于熱氣缸部分16和冷氣缸部分17之間。溫的熱交換器40基本上為碟形，盡管在中心具有開口以容納柱18。流體在具有入口42和出口44的溫的熱交換器40的管道內(nèi)通過。熱泵10內(nèi)的工作流體在置換器12和14運動時經(jīng)過溫的熱交換器40。與通過入口42提供至溫的熱交換器的流體進行了能量交換。冷的熱交換器30鄰近熱泵10的冷帽部38。流體在具有入口32和出口34的冷的熱交換器30的管道內(nèi)通過。當(dāng)置換器14向下移動時，工作流體在冷的熱交換器30的管道外部通過，伴隨著氣體自冷腔室66流至通道36進入冷置換器54、進入通道56并流出溫?zé)崆皇?2；以及當(dāng)置換器14向上移動時工作流體反過來流動。熱再生器50位于氣缸16外部并位于通道26和52中。當(dāng)熱置換器12向上移動時，熱腔室60中的氣體在熱交換器20的外表面上流動進入通道26并穿過熱再生器50及通道52，并流出至下部溫交換器64內(nèi)。

在圖5中的實施方式中，氣缸15、16、17為相同大小。可替代地，氣缸16和17中的一個氣缸具有相比另一個氣缸更大的直徑。

圖6中示出了圖5的置換器的運動。熱置換器12的運動由曲線244示出，而冷置換器的運動由曲線246示出。置換器的運動、即曲線240和242與圖4中所示的置換器的運動、即曲線244和246是相同的，除了圖5中的置換器的運動相互隔開了溫的熱交換器的高度250。

在圖7至圖15中示出了熱泵10中的一個循環(huán)。在圖7中開始，熱置換器12處于其下方位置，而冷置換器14處于其上方位置。

圖8中，熱置換器12向上運動(如箭頭98所示)。熱置換器12的運動引起熱腔室60中的氣體102通過熱交換器20進入通道26(如箭頭104所示)，穿過熱再生器50進入通道52(如箭頭106所示)，并穿過溫交換器40進入溫?zé)崆皇?2(如箭頭108所示)。

圖9中，熱置換器12到達其上方位置，而冷置換器14仍然處于其上方位置。

圖10中，冷置換器14向下運動(如箭頭120所示)。氣體被推動流出冷腔室66(如箭頭122所示)，流入冷的熱交換器30流入通道36(如箭頭124所示)，流入冷再生器54流入通道56(如箭頭126所示)，流入溫?zé)崆皇?2，穿過溫的熱交換器40(如箭頭128所示)，并最終流入溫冷腔室64。

圖11中，冷置換器已到達其下方位置，而熱置換器12仍處于其上方位置。

圖12中，如箭頭140所示，冷置換器12向下運動。氣體被推出溫?zé)崆皇?2并穿過溫的熱交換器40(如箭頭142所示)，進入通道52(如箭頭144所示)，進入冷再生器50，進入通道26(如箭頭146所示)，進入熱的熱交換器20并進入熱腔室60(如箭頭148所示)。圖13中，熱置換器14到達其下方位置，而冷置換器12停留在其上方位置。

圖14中，如箭頭160所示，冷置換器14向上運動。氣體自上方溫腔室64受迫穿過溫的熱交換器40(如箭頭162所示)，流入通道56(如箭頭164所示)，進入冷再生器54進入通道36(如箭頭166所示)，穿過冷的熱交換器30進入冷腔室66(如箭頭168所示)。

圖15中，冷置換器14已達到其上方位置，而熱置換器停留在其下方位置。當(dāng)圖15中置換器的位置和圖5中示出的初始位置相同時，循環(huán)完成。

對氣體運動的說明意味著氣體完成了一個完整的環(huán)路。然而，氣體以上述路徑運動，但在置換器的一側(cè)初始的氣體并不完成整個路徑至置換器的另一側(cè)，而是通過環(huán)路的一部分。

圖16描繪了可替代的熱泵100的配置，其中再生器同殼體一體。圖16中的配置示出了環(huán)形地布置于氣缸16外部的熱再生器70和環(huán)形地布置于氣缸17外部的冷再生器74。熱泵100中還示出有管殼式熱交換器90。入口92允許液體，例如，流動穿過熱交換器90的殼。流體在94處流出。熱泵100中的工作流體在熱交換器90的管道內(nèi)通過。圖16中，冷的熱交換器31環(huán)形地圍繞氣缸17布置。冷的熱交換器31流體聯(lián)接至冷再生器74及冷腔室66。被提供至冷的熱交換器31的其他流體具有入口33和出口35。

可替代的兩種溫的熱交換器的氣缸的俯視圖如圖17和圖18所示。圖17中，與圖4至圖15中描繪的熱交換器相似的螺旋式熱交換器150示出在氣缸部分158中。由于在螺旋中心處的扭轉(zhuǎn)，入口152和出口154均處于螺旋的外圍。提供穿過螺旋式熱交換器150的開口156，以容納載有電導(dǎo)線的柱(圖4中所示的元件18)。

管殼式熱交換器160與圖16中描繪的相似，并示于圖18中。熱交換器160被包含于氣缸168內(nèi)。提供有穿過螺旋式熱交換器150的開口166以容納柱。

在圖19中的熱泵200的實施方式中，再生器250和254沿氣缸壁220放置，置換器12和14在氣缸壁中往復(fù)運動。熱交換器240位于置換器12和14之間。穿過氣缸壁220的開口使熱再生器250和腔室62流體連接，但這一開口在熱交換器240的底側(cè)。關(guān)于冷再生器254，氣缸壁220中有開口以流體連接冷再生器254和腔室62，這一開口在熱交換器240的上側(cè)。待加熱的水或其他流體經(jīng)由入口192被提供至熱交換器240并經(jīng)由出口194流出，其中入口192穿過熱再生器250而出口194穿過冷再生器254。在其他實施方式中，用于熱再生器250的下部分空間和用于冷再生器254的上部分空間實際上是熱交換器240的延伸。在這樣的實施方式中，熱交換器240，部分處于氣缸壁220內(nèi)，部分處于氣缸壁220外。

盡管最好的模式已參照特定的實施方式做了詳細描述，但那些熟知本領(lǐng)域的人應(yīng)理解，各種各樣的替代設(shè)計及實施方式均落入所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。盡管各個實施方式可能被描述為提供優(yōu)勢或在一個或多個所需性質(zhì)方面相對于其他實施方式是優(yōu)選的，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)意識到，為了達到所需要的系統(tǒng)特性可使一個或多個性質(zhì)做出妥協(xié)，這取決于特定的應(yīng)用和實施。這些特性包括但不局限于：成本、強度、耐用性、生命周期成本、市場化程度、外觀、包裝、尺寸、可用性、重量、可制造性、易于裝配性，等等。在此描述的在一個或多個性質(zhì)上相較于其他實施方式或現(xiàn)有技術(shù)的實施更為不利的實施方式，并不落在本發(fā)明的保護范圍之外，并且可能對于特定的應(yīng)用而言是可取的。