具有機電致動位移件的熱泵的制作方法
【專利說明】具有機電致動位移件的熱泵
[0001]本申請是于2014年10月11日進入中國國家階段的題為“具有機電致動位移件的熱栗”且中國申請?zhí)枮?01380019638.3的國際申請PCT/US2013/036101的分案申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及用于栗送熱栗中的流體的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0003]維氏熱栗在1917年I月29日提交的美國U.S.1,275,507中公開。在維氏熱栗10中,兩個位移件(或活塞)設(shè)置在缸20內(nèi)并限定三個腔室:熱腔室22和溫腔室24之間的熱位移件12以及溫腔室24和冷腔室26之間的冷位移件16,其例子在圖1中示出。位移件12和16在缸20內(nèi)往復(fù)以改變?nèi)齻€腔室內(nèi)所含流體的體積。例如,在熱位移件12位于朝著熱腔室22的極端位置時,大部分流體被推動離開熱腔室22,經(jīng)過熱熱交換器28。熱熱交換器28聯(lián)接到被供應(yīng)燃料和空氣的燃燒器27。流體接著運行經(jīng)過熱換熱器30、溫熱交換器32、冷換熱器34和冷熱交換器36。元件28、30、32、34和36在缸的外部流體連接到缸20,并具有位于溫熱交換器32和溫腔室24之間的通道38。位移件12和16被造成通過曲柄配置40往復(fù)。
[0004]通過曲柄配置40驅(qū)動的位移件12和16的運動大致是正弦的,如圖2所示。位移件的高度及其在往復(fù)期間的運動作為圖2的曲柄角的角度函數(shù)示出并表示為DJ^PD_c。三個腔室內(nèi)的熱和冷位移件之間的體積在圖2中還表示為:V_h、V_w和V_c。冷位移件16的運動偏離熱位移件12的運動一相位角,例如90°。腔室22、24和26以很小的流動限制彼此流體聯(lián)接。因此,三個腔室內(nèi)的壓力大致相同,但是作為時間的函數(shù)變化,如圖3所示。缸內(nèi)的壓力在經(jīng)過熱交換器28的流動使得閉合系統(tǒng)內(nèi)的氣體的總體溫度升高時升高,并且缸內(nèi)的壓力在能量經(jīng)由溫熱交換器32汲取時降低。
[0005]維氏熱栗是閉合熱動態(tài)循環(huán),其中工作流體(氣體)保持在缸內(nèi)。能量經(jīng)過熱交換器來往于熱栗傳輸。在加熱模式中,能量經(jīng)由燃燒器或其他高溫能量源傳輸?shù)綗崆皇?。能量也從環(huán)境傳輸?shù)嚼錈峤粨Q器中的流體。被傳輸用于例如空間加熱或熱水加熱的能量經(jīng)由熱交換器從溫腔室汲取。由于一些能量從環(huán)境汲取,性能系數(shù)基本上在許多操作狀況下超過
I。這與標準爐形成對比,在標準爐中,性能系數(shù)最佳可以接近I,并且只在廢氣中的水蒸氣凝結(jié)的爐中。熱栗還可用于通過冷熱交換器中汲取的能量冷卻。維氏熱栗已經(jīng)用來生成低溫溫度O
[0006]經(jīng)過系統(tǒng)建模,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)如果位移件之一可以在其極端位置處駐留同時另一位移件運動(反之亦然),而不是它們都連續(xù)運動,即分離一固定相位角,系統(tǒng)的性能系數(shù)可以得到改善。
[0007]為了在維氏熱栗中獲得合理性能,作為非限定例子,工作流體是氫或氦,其被加壓至IJ大約100巴。壓力在缸內(nèi)相對恒定,但是作為曲柄角的角度的函數(shù)變化,如圖3所示。
[0008]防止任何這些氣體泄漏是挑戰(zhàn)。在現(xiàn)有技術(shù)的維氏熱栗中,與位移件聯(lián)接的轉(zhuǎn)動曲柄配置可以定位在殼體外側(cè),使得附接到位移件的運動連接桿經(jīng)過殼體的壁。圍繞運動和搖動連接桿的密封存在密封挑戰(zhàn)。替代地,轉(zhuǎn)動曲柄配置位于密封殼體內(nèi),導(dǎo)致較沉重、體積大的熱栗。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0009]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的至少一個缺陷,公開一種熱栗,其包括具有外壁和位于殼體內(nèi)的缸套的殼體、布置在缸套內(nèi)的熱位移件、聯(lián)接到缸和殼體中的至少一個的熱位移件致動器以及電子聯(lián)接到熱位移件致動器的電子控制單元(E⑶KECU可以通過例如線的實體連接、經(jīng)由無線通訊或任何其他適當方式電子聯(lián)接。熱位移件基于從ECU到熱位移件致動器的信號在與熱位移件相關(guān)的行程的第一端和與熱位移件相關(guān)的行程的第二端之間在缸內(nèi)往復(fù)。熱位移件具有大致筒形主體、位于筒形主體的第一端處的第一蓋以及聯(lián)接到筒形主體的第二端的第二蓋。第一蓋可以與位移件的主體一體形成或通過任何適當方法(例如通過以下非限定例子:摩擦焊接、銅焊、焊接、粘接、螺栓連接和夾持)聯(lián)接到位移件的主體。除了大致筒形橫截面之外,熱位移件的主體可具有任何形狀的橫截面,例如橢圓形或多邊形,作為非限定例子。熱栗可進一步包括:布置在缸套內(nèi)的冷位移件和聯(lián)接到缸和殼體中的至少一個并電子聯(lián)接到ECU的冷位移件致動器。冷位移件基于從ECU到冷位移件致動器的信號在與冷位移件相關(guān)的行程的第一端和與冷位移件相關(guān)的行程的第二端之間在缸內(nèi)往復(fù)。冷位移件具有大致筒形主體、聯(lián)接到冷位移件的筒形主體的第一端的第三蓋和聯(lián)接到冷位移件的筒形主體的第二端的第四蓋。
[0010]在熱栗的操作期間,熱位移件在與熱位移件相關(guān)的行程的第一和第二端處具有可選擇駐留周期,并且冷卻位移件在與冷位移件相關(guān)的行程的第一和第二端處具有可選擇駐留周期。
[0011]殼體具有熱端和冷端。熱位移件致動器是熱位移件機電裝置,其具有聯(lián)接在與熱栗相關(guān)的第一靜止元件和熱位移件之間的第一彈簧、聯(lián)接在與熱栗相關(guān)的第二靜止元件和熱位移件之間的第二彈簧、與熱位移件相關(guān)并聯(lián)接到和熱栗相關(guān)的第三靜止元件且電子聯(lián)接到ECU的電磁體、聯(lián)接到熱位移件的第一鐵磁元件以及聯(lián)接到熱位移件的第二鐵磁元件。第一彈簧在朝著殼體的冷端的方向上在熱位移件上施加力,并且第二彈簧在朝著殼體的熱端的方向上在熱位移件上施加力。如沿著熱位移件在缸內(nèi)的行程方向測量,第一和第二鐵磁元件以預(yù)定距離隔開定位。
[0012]在一種實施方式中,第一和第二靜止元件聯(lián)接到缸;第三靜止元件是剛性固定到殼體的冷端并延伸到殼體內(nèi)的中央定位柱;熱位移件的第二蓋限定中央定位開口以容納進入熱位移件的柱;并且第一和第二彈簧定位在熱位移件的筒形主體和缸套之間。
[0013]在另一實施方式中,第三靜止元件包括剛性固定到殼體的冷端并延伸到殼體內(nèi)的中央定位柱;第一和第二靜止元件在遠離殼體的冷端的位置處聯(lián)接到柱;熱位移件的第二蓋限定中央定位開口以容納進入熱位移件的柱;并且第一和第二彈簧定位在熱位移件內(nèi)偵U。一些實施方式還包括:布置在缸套內(nèi)的冷位移件。冷位移件具有大致筒形主體、聯(lián)接到冷位移件的筒形主體的第一端的第三蓋,以及聯(lián)接到冷位移件的筒形主體的第二端的第四蓋。熱栗還包括冷位移件機電裝置,其包括聯(lián)接在與熱栗相關(guān)的第四靜止元件和冷位移件之間的第三彈簧、聯(lián)接在與熱栗相關(guān)的第五靜止元件和冷位移件之間的第四彈簧、與冷位移件相關(guān)并聯(lián)接到柱且電子聯(lián)接到ECU的電磁體;以及聯(lián)接到冷位移件的第三鐵磁元件;以及聯(lián)接到冷位移件的第四鐵磁元件。冷位移件的第一和第二蓋限定中央定位開口以容納經(jīng)過冷位移件的柱,并且第三和第四彈簧定位在冷位移件內(nèi)側(cè)。第三彈簧在朝著殼體的冷端的方向上在冷位移件上施加力,并且第四彈簧在朝著殼體的熱端的方向上在冷位移件上施加力。
[0014]在熱位移件位于行程的第一端時,E⑶指令電磁體通過保持電流激勵以作用在第一鐵磁元件上以便將熱位移件保持在行程的第一端處長達第一可選擇駐留周期。在第一駐留周期之后,ECU指令電磁體去激勵,使得由于作用在熱位移件上的不平衡彈簧力,熱位移件朝著行程的第二端運動。在熱位移件靠近行程的第二端時,ECU指令電磁體通過足以拉動熱位移件的第二鐵磁元件的抓持電流激勵,使得熱位移件運動到行程的第二端。在熱位移件位于行程的第二端時,ECU指令電磁體通過保持電流激勵,以作用在第二鐵磁元件上,以便將熱位移件保持在行程的第二端處長達第二可選擇駐留周期。在第二駐留周期之后,ECU指令電