具有機電致動位移件的熱泵的制作方法
【專利摘要】公開一種維氏熱泵，其中熱和冷位移件分別通過第一和第二電磁致動器控制。第一致動器能夠使熱位移件在行程的第一端和第二端之間運動，而冷位移件保持靜止，并且第二致動器能夠使冷位移件運動，而熱位移件保持靜止。現(xiàn)有技術(shù)曲柄配置不能提供一個位移件駐留而使另一位移件運動。根據(jù)本發(fā)明的實施方式的位移件的致動提供比曲柄配置更高的性能系數(shù)。
【專利說明】具有機電致動位移件的熱泵
[0001]相關(guān)申請的交叉參考
[0002]本申請要求2012年4月11日提交的美國臨時專利申請61/622，547和2012年10月29日提交的美國臨時專利申請61/719，844的優(yōu)先權(quán)。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明涉及用于泵送熱泵中的流體的系統(tǒng)和方法。

【背景技術(shù)】
[0004]維氏熱泵在1917年I月29日提交的美國U.S.1，275，507中公開。在維氏熱泵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?zé)峤粨Q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?zé)峤粨Q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)。
[0005]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D_h和D_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?zé)峤粨Q器32汲取時降低。
[0006]維氏熱泵是閉合熱動態(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泵傳輸。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)綗崆皇摇Ｄ芰恳矎沫h(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(biāo)準(zhǔn)爐形成對比，在標(biāo)準(zhǔn)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。熱泵還可用于通過冷熱交換器中汲取的能量冷卻。維氏熱泵已經(jīng)用來生成低溫溫度。
[0007]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。
[0008]為了在維氏熱泵中獲得合理性能，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。
[0009]防止任何這些氣體泄漏是挑戰(zhàn)。在現(xiàn)有技術(shù)的維氏熱泵中，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、體積大的熱泵。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的至少一個缺陷，公開一種熱泵，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(ECU)。ECU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(dāng)方式電子聯(lián)接。熱位移件基于從E⑶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(dāng)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。熱泵可進(jìn)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。
[0011]在熱泵的操作期間，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。
[0012]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)接在與熱泵相關(guān)的第一靜止元件和熱位移件之間的第一彈簧、聯(lián)接在與熱泵相關(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)接到和熱泵相關(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。
[0013]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(jìn)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。
[0014]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(yuǎn)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(jìn)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。熱泵還包括冷位移件機電裝置，其包括聯(lián)接在與熱泵相關(guān)的第四靜止元件和冷位移件之間的第三彈簧、聯(lián)接在與熱泵相關(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。
[0015]在熱位移件位于行程的第一端時，ECU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(dá)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(dá)第二可選擇駐留周期。在第二駐留周期之后，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一端運動。
[0016]在一些實施方式中，熱位移件具有位于第一蓋的外表面內(nèi)的第一凹槽和位于第二蓋的外表面的第二凹槽。第一密封環(huán)設(shè)置在第一凹槽內(nèi)，并且第二密封環(huán)設(shè)置在第二凹槽內(nèi)。環(huán)在熱位移件的往復(fù)期間騎跨在缸套的表面上。
[0017]殼體和缸套限定定位在殼體的內(nèi)表面和缸套的外表面之間的環(huán)形腔室。熱泵還可包括布置在環(huán)形腔室內(nèi)的熱換熱器、溫?zé)峤粨Q器、冷換熱器和冷熱交換器。溫?zé)峤粨Q器、冷換熱器和冷熱交換器以所列舉順序配置在所配置的環(huán)形腔室內(nèi)，其中熱換熱器鄰近殼體的熱端，并且冷熱交換器鄰近殼體的冷端。熱熱交換器還可鄰近殼體的熱端配置在環(huán)形腔室內(nèi)。燃燒器可設(shè)置在殼體外部，其中燃燒產(chǎn)品來自于流體聯(lián)接到熱熱交換器的燃燒器。
[0018]熱和冷位移件在殼體內(nèi)限定三個腔室:鄰近殼體的熱端的熱腔室；鄰近殼體的冷端的冷腔室以及定位在熱和冷位移件之間的溫腔室。缸套限定:鄰近殼體的熱端在缸套內(nèi)的第一組開口，以提供熱腔室和環(huán)形體積之間的流體連通；位于缸套的中間的第二組開口，以提供溫腔室和環(huán)形腔室之間的流體連通；以及位于殼體的第二端處的第三組開口，以提供冷腔室和環(huán)形腔室之間的流體連通。
[0019]根據(jù)其他實施方式，用于泵送熱泵內(nèi)的流體的系統(tǒng)包括:其中具有缸的殼體；熱位移件，其布置在缸內(nèi)，并具有主體、聯(lián)接到主體的第一端的第一蓋和聯(lián)接到主體的第二端的第二蓋；熱致動器，其聯(lián)接到熱位移件；以及電子控制單元(ECU)，其電子聯(lián)接到熱致動器。熱位移件在行程的第一端和行程的第二端之間運動。熱位移件在行程的第一端處駐留長達(dá)第一可選擇周期，并且熱位移件在行程的第二端處駐留長達(dá)第二可選擇周期。該系統(tǒng)還包括冷位移件，冷位移件布置在缸內(nèi)，并具體主體、聯(lián)接到冷位移件的主體的第一端的第三蓋和聯(lián)接到冷位移件的主體的第二端的第四蓋；以及冷致動器，其聯(lián)接到冷位移件并電子聯(lián)接到ECU。熱致動器允許熱位移件駐留，同時冷位移件運動，并且第二致動器允許冷位移件駐留，同時熱位移件運動。駐留指的是將位移件之一保持在固定位置，例如造成熱位移件停留在行程的第一端處長達(dá)可選擇周期。
[0020]第一致動器可包括中央定位柱，其剛性地固定到殼體的冷端并延伸到殼體內(nèi)；第一和第二彈簧，其聯(lián)接在柱和熱位移件之間；第一和第二鐵磁元件，其固定到熱位移件；以及第一電磁體，其在第一和第二鐵磁元件之間的位置處聯(lián)接到柱。如沿著缸的中心軸線測量，第一鐵磁元件從第二鐵磁元件移位預(yù)定距離。第二致動器包括第三和第四彈簧，其聯(lián)接在柱和冷位移件之間；第三和第四鐵磁元件固定到冷位移件，以及第二電磁體，其在第三和第四鐵磁元件之間的位置處聯(lián)接到柱。如沿著缸的中心軸線測量，第三鐵磁元件從第四鐵磁元件移位預(yù)定距離。
[0021]公開一種操作熱泵的方法，其中指令冷致動器將冷位移件從其行程的第一端運動到其行程的第二端，同時指令熱致動器將熱位移件保持在其行程的第一端處。該方法還可包括指令熱致動器將熱位移件從其行程的第二端運動到其行程的第一端，同時指令冷致動器將冷位移件保持在其行程的第二端處。
[0022]第一彈簧在朝著冷端的方向上在相關(guān)位移件上施加力；第二彈簧在朝著熱端的方向上在相關(guān)位移件上施加力；并且電磁體能夠在電磁體激勵時吸引鐵磁塊或元件。
[0023]通過使電磁體去激勵；在上部鐵磁塊由于熱位移件因為不平衡彈簧力運動而接近電磁體時通過抓持電流激勵電磁體；并且在上部鐵磁塊接近電磁體時通過保持電流激勵電磁體，第一致動器造成熱位移件從下部位置運動到上部位置。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的實施方式的優(yōu)點在于由于位移件的更希望的運動而在冷卻和加熱中提供更高的性能系數(shù)，例如將熱位移件保持就位并同時運動冷位移件的能力。相比之下，現(xiàn)有技術(shù)的熱泵具有以恒定相位角差連續(xù)運動的兩個位移件。
[0025]本發(fā)明的又一優(yōu)點在于致動器被封閉在熱泵的殼體內(nèi)。這有利地幫助保持氦、氫或其他低分子量工作流體密封在殼體內(nèi)。
[0026]維氏熱泵(其中位移件以兩者之間的90°的相位移大致正弦地往復(fù))使用溫?zé)峤粨Q器，如圖1作為元件32示出。這里描述的每個實施方式中的用于致動位移件的替代系統(tǒng)(其中位移件之一在極端位置駐留，同時另一位移件運動)不依賴于溫腔室24和冷換熱器34之間的第二溫?zé)峤粨Q器。消除了一個溫?zé)峤粨Q器是所公開的實施方式提供的另一優(yōu)點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1是維氏熱泵的示意圖；
[0028]圖2是指示維氏熱泵中的位移件的正弦運動以及三個腔室內(nèi)的體積的圖表；
[0029]圖3是示出維氏熱泵內(nèi)的壓力隨著位移件如圖2的運動的圖表；
[0030]圖4-6是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的維氏熱泵的圖示；
[0031]圖7-10是維氏熱泵的示意圖，其中位移件被示出位于其行程端部，用來描述可以操作熱泵的循環(huán)；以及
[0032]圖1lA-C示出分別與熱、冷和溫腔室相關(guān)的熱動態(tài)循環(huán)。

【具體實施方式】
[0033]本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解到，參考任一附圖描述和說明的實施方式的多種特征可以與一個或多個其他附圖中示出的特征組合，以形成沒有明確描述和說明的替代實施方式。所示特征的組合為典型應(yīng)用提供代表性實施方式。但是，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的特征的多種組合和變型對于特定應(yīng)用或?qū)嵺`來說是希望的。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識到類似應(yīng)用或?qū)嵺`，而不管是否明確描述或說明。
[0034]在圖4中，熱泵250的一種實施方式具有殼體252。缸套254設(shè)置在殼體252內(nèi)。熱和冷位移件262和266分別示出在其中間位置，即不位于行程的任一端處。位移件限定三個腔室:熱腔室272、溫腔室和冷腔室276。如圖4所示的位移件262和266的位置，溫腔室沒有體積，并且因此不提供附圖標(biāo)記。殼體252具有熱端282和冷端286。
[0035]柱288固定到殼體252的冷端286，并沿著殼體252的中心軸線延伸到殼體252內(nèi)。柱288延伸經(jīng)過冷位移件266并延伸到熱位移件262的一端內(nèi)。柱288具有布置在熱位移件262內(nèi)的電磁體292a和292c以及布置在冷位移件266內(nèi)的電磁體296a和296c。
[0036]鐵磁元件或塊222a、222b和222c固定到熱位移件262。如沿著殼體252的軸線的方向測量，塊222a、222b和222c彼此移位預(yù)定距離。預(yù)定距離與熱位移件262的希望行程相關(guān)。鐵磁塊226a、226b和226c固定到冷位移件266。如沿著殼體252的軸線的方向測量，塊226a、226b和226c彼此移位預(yù)定距離。
[0037]在圖4的實施方式中，彈簧242a的一端附接到熱位移件262的頂端，并且彈簧242a的另一端附接到突片282。第二彈簧242b在一端處附接到突片282，并附接到熱位移件262的底端。類似地，冷位移件具有聯(lián)接在突片286和冷位移件266的頂端和底端之間的彈黃246a和246b。
[0038]另一實施方式在圖5中示出，熱泵350具有殼體352，其中熱位移件362和冷位移件366布置在缸354中。熱腔室372限定在殼體352的熱端382和熱位移件362之間。冷腔室376限定在殼體352的冷端382和冷位移件366之間。可以運動熱位移件362的熱致動器包括:可以由鐵磁材料制成的兩個塊402和412以及電磁體392，電磁體392可以在電子控制單元(ECT) 400控制下激勵以抓持塊402和412之一或另一個從而造成熱位移件362運動。熱位移件還具有兩個彈簧442，一個彈簧聯(lián)接在蓋422和作為缸354 —部分的突片443之間，并且另一彈簧聯(lián)接在蓋432和突片443之間。突片443可以是柱形唇部或設(shè)置在缸354的周邊上的多個突片，以便為彈簧提供附接。在一些實施方式中，蓋422和432設(shè)置密封件455，密封件455在往復(fù)期間騎跨在缸354上。類似地，運動冷位移件366的冷致動器包括:兩個塊406和416，其可以通過由E⑶400控制的電磁體396吸引。冷致動器也具有彈簧446，一個彈簧聯(lián)接在突片447和冷位移件366的蓋426之間，并且另一彈簧聯(lián)接在突片447和冷位移件的蓋436之間。
[0039]電磁體392和396安裝在聯(lián)接到殼體352的冷端386的中央定位柱388上。柱388延伸經(jīng)過冷位移件366的端蓋，并經(jīng)過熱位移件362的蓋432。激勵電磁體的電線經(jīng)過柱 388。
[0040]彈簧446受到壓縮，上部彈簧施加向下的力，并且下部彈簧施加向上的力。冷位移件366在圖5中通過彼此抵消的彈簧力處于平衡。電磁體396可以被致動，以造成冷位移件366從平衡位置運動。
[0041]在位移件運動時，多個腔室內(nèi)的流體從腔室推出到位于殼體352的內(nèi)表面和缸354的外表面之間的環(huán)形腔室378內(nèi)。開口設(shè)置在缸354內(nèi)以允許缸354內(nèi)的腔室和缸354外側(cè)的環(huán)形腔室378之間的流動。開口 462允許熱腔室372和環(huán)形腔室378之間的流動；開口 464允許溫腔室(在圖5所示的平衡位置沒有體積)和環(huán)形腔室378之間的流動；并且開口 466允許冷腔室376和環(huán)形腔室378之間的流動。
[0042]環(huán)形腔室378具有布置在環(huán)形腔室378內(nèi)的熱換熱器452、溫?zé)峤粨Q器454、冷換熱器456和冷熱交換器458。在熱泵350以加熱模式操作時，水或其他流體經(jīng)過溫?zé)峤粨Q器454經(jīng)過穿刺殼體352的入口 474和出口 472提供。替代地，經(jīng)過熱交換器454的流動是與圖5所示的相反方向。在加熱和冷卻模式中，流體經(jīng)過具有穿刺殼體352的入口 476和出口 478的冷熱交換器458提供。
[0043]熱動態(tài)循環(huán)效率通過減小熱泵中的死體積來改善。環(huán)形腔室內(nèi)的體積是死體積的部分。同樣，彈簧在其中定位在位移件外側(cè)的體積是死體積。希望使換熱器和熱交換器盡可能緊湊以減小體積。在圖6的另一實施方式中，彈簧設(shè)置在位移件內(nèi)側(cè)。
[0044]現(xiàn)在參考圖6，熱泵50具有殼體52和缸54，熱位移件62和冷位移件66布置在缸54中。位移件62和66在缸套54內(nèi)往復(fù)，沿著中心軸線53運動。用于熱位移件62的致動器包括鐵磁元件102和112、電磁體92、彈簧142和144以及支承結(jié)構(gòu)143。支承結(jié)構(gòu)143如圖6所示附接到電磁體92，其聯(lián)接到聯(lián)接到殼體52的冷端86的中央柱88。柱88、電磁體92和支承結(jié)構(gòu)143是靜止的。在熱位移件62從圖6所示的位置向上往復(fù)時，彈簧142被壓縮到比其平衡預(yù)加載更大的程度，并且彈簧144處于較低的壓縮下。電磁體92被激勵以克服彈簧142和144的彈簧力朝其拉動鐵磁元件102或112。類似地，冷位移件66具有冷致動器，冷致動器包括聯(lián)接到柱88的電磁體96、聯(lián)接到電磁體96的支承結(jié)構(gòu)147以及彈簧146和148。彈簧146聯(lián)接在支承結(jié)構(gòu)147和冷位移件66的第一蓋126之間。彈簧148聯(lián)接在支承結(jié)構(gòu)147和冷位移件66的第二蓋136之間。電磁體92和96經(jīng)由電子控制單元(ECU) 100控制。
[0045]鐵磁塊102、112、106和116分別聯(lián)接到:與熱位移件62的第一蓋122和熱位移件62的第二蓋132相關(guān)的支座、與冷位移件66的第一蓋126和冷位移件66的第二蓋136相關(guān)的支座。開口設(shè)置在熱位移件62的第二蓋132以及冷位移件66的第一和第二蓋126和136內(nèi)，以容納向上延伸經(jīng)過冷位移件66并進(jìn)入熱位移件62的柱88。
[0046]環(huán)形腔室形成在殼體52的內(nèi)表面的一部分和缸54的外表面之間。熱換熱器152、溫?zé)峤粨Q器154、冷換熱器156和冷熱交換器158布置在環(huán)形腔室內(nèi)。經(jīng)過缸54的開口允許流體經(jīng)過缸54的內(nèi)部之間到環(huán)形腔室。開口 166允許冷腔室76和環(huán)形腔室內(nèi)的冷熱交換器158之間的流動。開口 164允許溫腔室(在位移件位于圖6所示的位置時基本上沒有體積)和環(huán)形腔室之間的流動。熱泵50還具有靠近殼體52的熱端82設(shè)置的熱熱交換器165。經(jīng)過蓋82的開口 162通向具有通向環(huán)形腔室的通道163的熱交換器165。熱熱交換器165可以與燃燒器配置或其他能量源相關(guān)。
[0047]繼續(xù)參考圖6，待加熱的流體流到溫?zé)峤粨Q器154進(jìn)入開口 174并離開開口 172，交叉流動。待冷卻的流體流到冷熱交換器158，進(jìn)入開口 176并離開開口 178。經(jīng)過熱交換器的流動可以是顛倒的、平行流動。
[0048]參考圖7-10中的圖示，描述示例性熱動態(tài)循環(huán)。在圖7中，熱泵50示出了都在其行程的上端處的兩個位移件。鐵磁元件112被吸引到電磁體92。電磁體92通過足以克服在熱位移件上施加向下力的不平衡彈簧力來保持熱位移件62的保持電流激勵。類似地，鐵磁構(gòu)件116通過足以克服不平衡彈簧力將冷位移件66保持在上部極端位置的保持電流吸引到電磁體96。殼體52內(nèi)的工作流體主要包含在冷腔室76和具有換熱器和熱交換器的環(huán)形腔室中。在熱和溫腔室中具有非常少的流體。
[0049]在圖8中，冷位移件66從行程的上端運動到行程的下端。在此構(gòu)型中，幾乎沒有流體包含在任何冷腔室或熱腔室中。相反，工作流體存在于溫腔室74中，并且一些在環(huán)形腔室中。從圖7所示的冷位移件66的位置到獲得圖8所示的位置，保持鐵磁構(gòu)件116的電磁體96被去激勵。不平衡彈簧力造成冷位移件66向下運行。隨著鐵磁塊106接近電磁體96，抓持電流施加到電磁體96，使其將鐵磁塊106吸引到電磁體96內(nèi)。在鐵磁塊106接觸電磁體96之后，較小的保持電流被指令到電磁體，以便克服平衡彈簧力保持塊106。
[0050]現(xiàn)在參考圖9，兩個位移件62和66被示出位于其下部極端位置。缸52內(nèi)的大部分工作流體位于熱腔室72內(nèi)。在電磁體92去激勵時，熱位移件62從圖8所示的行程的上端運動到圖9所示的行程的下端，使得不平衡彈簧力作用在熱位移件62上，以使其向下運動。在熱位移件62的鐵磁塊102接近電磁體92時，抓持電流被指令到電磁體92。一旦鐵磁塊102接觸電磁體92，電磁體被指令通過保持電流保持塊102。
[0051]在圖9和10之間，兩個位移件62和66從其更靠近冷端86的下部極端位置和其更靠近熱端82的上部極端位置運動。兩個電磁體92和96被去激勵，以允許位移件在彈簧的控制下運動，接著在位移件接近行程的另一端時通過抓持電流激勵，以便拉入位移件，接著通過保持電流激勵以便將位移件保持就位。注意到由于圖7和10的位移件位置是相同的，循環(huán)完成。
[0052]在冷位移件66在圖7和8所示的位置之間運動時，流體被推出冷腔室76并經(jīng)由環(huán)形腔室進(jìn)入溫腔室74。在熱位移件62在圖8和9所示的位置之間運動時，流體被推出溫腔室74并經(jīng)由環(huán)形腔室進(jìn)入熱腔室72。最后，在兩個位移件62和66在從圖9所示的位置運動到圖10所示的位置而向上運動到其行程端部時，流體被推出熱腔室72經(jīng)過環(huán)形腔室進(jìn)入冷腔室76。
[0053]圖6-10中的實施方式在位移件(62和66)和缸套54之間不使用密封件。在一些實施方式中，位移件可以與缸充分好地密封，以消除會增加摩擦的密封件的需要。殼體內(nèi)的壓力都是大致類似的。當(dāng)然，在位移件運動時，形成壓力差，其足以克服環(huán)形空間內(nèi)的壓力降，即造成流體在熱、冷和溫腔室中流動經(jīng)過環(huán)形空間內(nèi)的元件。但是，如果壓力降足夠低并且取決于熱泵的操作速度，那么可以省略密封件。
[0054]在具有曲柄配置來驅(qū)動位移件的現(xiàn)有技術(shù)熱泵中，位移件不允許在任何特殊位置駐留，而是連續(xù)運動。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，位移件不僅可以在其極端位置駐留，而且長達(dá)可選擇周期。對于一些操作狀況，會希望位移件在其行程一端比行程的另一端更長地駐留，這是這里公開的實施方式所允許的。根據(jù)公開的實施方式，加熱或冷卻輸出可通過增加或降低駐留周期來調(diào)節(jié)，顯著改變往復(fù)頻率。
[0055]工作流體在熱(h)、冷(C)和溫(W)腔室內(nèi)所經(jīng)受的熱動態(tài)過程分別在圖1lA-C中示出，其中軸是用于壓力的P，和用于體積的V。點lh、2h和3h對應(yīng)于與圖1lA相關(guān)的熱動態(tài)狀態(tài)；lw、2w和3w對應(yīng)于圖1lB ;并且lc、2c和3c對應(yīng)于圖11C。通過計算循環(huán)上的面積，即V-dp的積分，可以確定經(jīng)受該循環(huán)中傳遞的熱量。在圖1lA和IlB的情況中，循環(huán)是順時針的，并指示到系統(tǒng)的熱傳遞。在圖1lC中，循環(huán)是逆時針的，并且指示離開系統(tǒng)的熱傳遞。對于熱、溫和冷腔室，腔室中的溫度分別在?600°C、?50°C和?-5°C保持大致恒定。(該溫度通過例子提供并不旨在限制)。圖1lA-C中的過程示出為直線。實際上，真實過程偏離直線，一些過程通過曲線適當(dāng)表示。因此，圖11A-11C只是示例性的。在加熱模式中，能量從溫?zé)峤粨Q器傳遞到待加熱的空間(例如房間)或熱水加熱器。在冷卻模式中，能量從待冷卻空間傳遞到冷熱交換器。
[0056]雖然相對于特殊實施方式詳細(xì)描述了最佳模式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識到以下權(quán)利要求的范圍內(nèi)的多種替代設(shè)計和實施方式。雖然對于一個或多個希望特征，多種實施方式被描述成提供優(yōu)點或優(yōu)選于其他實施方式，一個或多個特征可以被妥協(xié)以實現(xiàn)希望系統(tǒng)屬性，這取決于具體應(yīng)用和實踐。這些屬性包括但不局限于:成本、強度、耐用性、壽命周期成本、市場性、外觀、包裝、尺寸、維護(hù)性、重量、制造性、便于組裝等。這里描述的實施方式(其特征在于對于一個或多個特征來說，比其他實施方式或現(xiàn)有技術(shù)并非是希望的)不在本發(fā)明的范圍之外，并可以對于特殊應(yīng)用來說是希望的。
【權(quán)利要求】
1.一種熱泵，包括: 殼體，其具有外壁和殼體內(nèi)的缸套； 熱位移件，其布置在缸套內(nèi)，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和聯(lián)接到筒形主體的第二端的第二蓋； 熱位移件致動器，其聯(lián)接到缸和殼體中的至少一個；以及 電子控制單元(ECU)，其電子聯(lián)接到熱位移件致動器，其中熱位移件基于從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)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱泵，還包括: 冷位移件，其布置在缸套內(nèi)，冷位移件具有大致筒形主體、位于冷位移件的筒形主體的第一端處的第三蓋和聯(lián)接到冷位移件的筒形主體的第二端的第四蓋；以及 冷位移件致動器，其聯(lián)接到缸和殼體中的至少一個，位于殼體內(nèi)并電子聯(lián)接到ECU，其中冷位移件基于從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)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱泵，其中，在熱泵的操作期間，熱位移件在與熱位移件相關(guān)的行程的第一端和第二端處具有可選擇駐留周期，并且冷位移件在與冷位移件相關(guān)的行程的第一端和第二端處具有可選擇駐留周期。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱泵，其中: 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，其包括: 第一彈簧，其聯(lián)接在與熱泵相關(guān)的第一靜止元件和熱位移件之間； 第二彈簧，其聯(lián)接在與熱泵相關(guān)的第二靜止元件和熱位移件之間，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； 電磁體，與熱位移件相關(guān)，聯(lián)接到與熱泵相關(guān)的第三靜止元件并電聯(lián)接到ECU ; 第一鐵磁元件，其聯(lián)接到熱位移件；以及 第二鐵磁元件，其聯(lián)接到熱位移件，如沿著熱位移件在缸內(nèi)的行程方向測量，第一鐵磁元件和第二鐵磁元件以預(yù)定距離隔開定位。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱泵，其中: 第一靜止元件和第二靜止元件聯(lián)接到缸； 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； 熱位移件的第二蓋限定中央定位開口以容納進(jìn)入熱位移件的柱；以及 第一彈簧和第二彈簧定位在熱位移件的筒形主體和缸套之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱泵，其中: 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； 第一靜止元件和第二靜止元件在遠(yuǎn)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(jìn)入熱位移件的柱；以及 第一彈簧和第二彈簧定位在熱位移件內(nèi)側(cè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的熱泵，還包括: 冷位移件，其布置在缸套內(nèi)，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；以及冷位移件機電裝置，其包括: 第三彈簧，其聯(lián)接在與熱泵相關(guān)的第四靜止元件和冷位移件之間； 第四彈簧，其聯(lián)接在與熱泵相關(guān)的第五靜止元件和冷位移件之間，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； 電磁體，其與冷位移件相關(guān)，聯(lián)接到柱并電子聯(lián)接到ECU，以及 第三鐵磁元件，其聯(lián)接到冷位移件，以及 第四鐵磁元件，其聯(lián)接到冷位移件，其中冷位移件的第一蓋和第二蓋限定中央定位開口以容納經(jīng)過冷位移件的柱，并且第三彈簧和第四彈簧定位在冷位移件內(nèi)側(cè)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱泵，其中: 在熱位移件位于行程的第一端時，ECU指令電磁體通過保持電流激勵以作用在第一鐵磁元件上，從而將熱位移件保持在行程的第一端處長達(dá)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，從而將熱位移件保持在行程的第二端處長達(dá)第二可選擇駐留周期；以及 在第二駐留周期之后，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一端運動。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱泵，其中，熱位移件具有位于第一蓋的外表面內(nèi)的第一凹槽和位于第二蓋的外表面內(nèi)的第二凹槽，熱泵還包括: 第一密封環(huán)，其布置在第一凹槽內(nèi)；以及 第二密封環(huán)，其布置在第二凹槽內(nèi)，其中環(huán)在熱位移件的往復(fù)期間騎跨在缸套的表面上。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱泵，其中:殼體和缸套限定定位在殼體的內(nèi)表面和缸套的外表面之間的環(huán)形腔室，熱泵還具有:布置在環(huán)形腔室內(nèi)的熱換熱器；溫?zé)峤粨Q器；冷換熱器和冷熱交換器；并且熱換熱器、溫?zé)峤粨Q器、冷換熱器和冷熱交換器以給定順序布置在所配置的環(huán)形腔室內(nèi)，其中熱換熱器鄰近殼體的熱端，并且冷熱交換器鄰近殼體的冷端。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的熱泵，還包括:鄰近殼體的熱端布置在環(huán)形腔室內(nèi)的熱熱交換器。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的熱泵，還包括:設(shè)置在殼體外部的燃燒器，其中燃燒產(chǎn)品來自于流體聯(lián)接到熱熱交換器的燃燒器。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的熱泵，其中:殼體包括熱端和冷端；殼體和缸套限定定位在殼體的內(nèi)表面和缸套的外表面之間的環(huán)形腔室；熱位移件和冷位移件在殼體內(nèi)限定三個腔室:鄰近殼體的熱端的熱腔室；鄰近殼體的冷端的冷腔室以及定位在熱位移件和冷位移件之間的溫腔室；并且缸套限定: 缸套內(nèi)的第一組開口，其鄰近殼體的熱端以便在熱腔室和環(huán)形體積之間提供流體連通； 缸套中間內(nèi)的第二組開口，其在溫腔室和環(huán)形腔室之間提供流體連通；以及 殼體的第二端內(nèi)的第三組開口，其在冷腔室和環(huán)形腔室之間提供流體連通。
14.權(quán)利要求書缺14
15.一種用于泵送熱泵內(nèi)的流體的系統(tǒng)，包括: 殼體，其中具有缸； 熱位移件，其布置在缸內(nèi)，并具有主體、聯(lián)接到主體的第一端的第一蓋和聯(lián)接到主體的第二端的第二蓋； 熱致動器，其聯(lián)接到熱位移件；以及 電子控制單元(ECU)，其電子聯(lián)接到熱致動器，其中熱位移件在行程的第一端和行程的第二端之間運動；熱位移件在行程的第一端處駐留長達(dá)第一可選擇周期，并且熱位移件在行程的第二端處駐留長達(dá)第二可選擇周期。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，還包括: 冷位移件，其布置在缸內(nèi)，并具體主體、聯(lián)接到冷位移件的主體的第一端的第三蓋和聯(lián)接到冷位移件的主體的第二端的第四蓋；以及 冷致動器，其聯(lián)接到冷位移件并電子聯(lián)接到ECU ； 其中熱致動器允許熱位移件駐留，同時冷位移件運動，并且第二致動器允許冷位移件駐留，同時熱位移件運動。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中: 第一致動器包括: 中央定位柱，其剛性地固定到殼體的冷端并延伸到殼體內(nèi)； 第一彈簧和第二彈簧，其聯(lián)接在柱和熱位移件之間； 第一鐵磁元件和第二鐵磁元件，其固定到熱位移件，其中如沿著缸的中心軸線測量，第一鐵磁元件從第二鐵磁元件移位預(yù)定距離；以及 第一電磁體，其在第一鐵磁元件和第二鐵磁元件之間的位置處聯(lián)接到柱；以及 第二致動器包括: 第三彈簧和第四彈簧，其聯(lián)接在柱和冷位移件之間； 第三鐵磁元件和第四鐵磁元件，其固定到冷位移件，其中如沿著缸的中心軸線測量，第三鐵磁元件從第四鐵磁元件移位預(yù)定距離；以及 第二電磁體，其在第三鐵磁元件和第四鐵磁元件之間的位置處聯(lián)接到柱。
18.一種操作熱泵的方法，其中: 熱泵包括: 殼體，其具有熱端和冷端； 缸套，其布置在殼體內(nèi)； 熱位移件，其布置在缸套內(nèi)并能夠在其中往復(fù)； 冷位移件，其布置在缸內(nèi)并能夠在其中往復(fù)； 熱致動器，其聯(lián)接到熱位移件；以及 冷致動器，其聯(lián)接到冷位移件，以及 每個冷位移件和熱位移件具有更靠近熱端的行程的第一端和更靠近冷端的行程的第~.丄山一觸; 該方法包括: 指令冷致動器將冷位移件從其行程的第一端運動到其行程的第二端，同時指令熱致動器將熱位移件保持在其行程的第一端處；以及 指令熱致動器將熱位移件從其行程的第二端運動到其行程的第一端，同時指令冷致動器將冷位移件保持在其行程的第二端處。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，每個致動器包括: 電磁體，其聯(lián)接到殼體； 第一鐵磁塊，其聯(lián)接到相關(guān)位移件； 第二鐵磁塊，其聯(lián)接到相關(guān)位移件； 第一彈簧，其聯(lián)接在相關(guān)位移件和聯(lián)接到殼體的靜止元件之間；以及 下部彈簧，其聯(lián)接在相關(guān)位移件和聯(lián)接到殼體的靜止元件之間； 其中: 第一彈簧在朝著冷端的方向上在相關(guān)位移件上施加力； 第二彈簧在朝著熱端的方向上在相關(guān)位移件上施加力；以及 電磁體能夠在電磁體被激勵時吸引鐵磁塊。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，第一致動器造成熱位移件從下部位置運動到上部位置，這借助于: 使電磁體去激勵； 在上部鐵磁塊由于熱位移件因為不平衡彈簧力運動而接近電磁體時通過抓持電流激勵電磁體；以及 在上部鐵磁塊 接近電磁體時通過保持電流激勵電磁體。
【文檔編號】F25B30/02GK104302990SQ201380019638
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年4月11日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月11日
【發(fā)明者】P·霍夫鮑爾 申請人:能升公司