專利名稱：熱泵系統的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及一種能夠為住宅或其它應用提供制冷和制熱需要的熱泵系統。本發(fā)明尤其涉及通過利用熱力發(fā)動機實現這種制冷或制熱的熱泵系統。具體而言，本發(fā)明涉及這樣一種熱泵系統，其中所述熱力發(fā)動機和系統中的其它器件，以能夠極大地提高了效率以及其它工作性能的方式協同工作。
背景技術：
熱泵在很早以前就被知曉，并在制熱、通風和空氣調節(jié)工業(yè)中使用。熱泵能夠得到廣泛應用以及受到如此重視的一個重要原因是同樣的器件可以既被用于制冷也被用于制熱，而大多數其它的系統則需要采用大量的獨立元器件以實現制冷和制熱功能。傳統上，熱泵系統使用壓縮機，壓縮機由電機驅動以將制冷劑循環(huán)通過將氣態(tài)形式的制冷劑轉換為液態(tài)制冷器，和通過分別從待被冷卻或加熱的區(qū)域吸收熱量或傳遞熱量的蒸發(fā)器。
對于大部分部件，熱泵系統的工藝改進涉及工作流體的改良以及系統元器件的改進。對于工作流體，開發(fā)了各種制冷劑尤其是各種碳氟化合物，它們在某些裝置或操作范圍中顯示了優(yōu)良的性能。對于系統元器件，在改進系統的壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器和其它輔助器件的操作和性能上，也做了大量的工作。但是，由于這些技術相對開發(fā)的時間比較早以及這些技術的發(fā)展狀態(tài)，近些年在這些技術上的研發(fā)僅在操作和性能上獲得了很小的改進。
人們開始嘗試開發(fā)熱力驅動的熱泵。在這個方面，發(fā)動機驅動和吸收式熱泵是這種類型熱泵的典型代表。由于多方原因，熱力驅動熱泵并沒有受到商業(yè)接受和認同。一般地說，這種裝置往往非常復雜，其元器件既精密復雜又十分昂貴。此外，這些系統中的許多都需要使用非常規(guī)制冷劑的工作流體，例如氨或者溴化鋰。舉例而言，由于氨是有毒氣體，使用這些非常規(guī)工作流體就需要擁有制熱、通風和空氣調節(jié)行業(yè)通常沒有的安裝、維修和保養(yǎng)人員。由于在工作流體的技術和元器件的改進上具有限制，以及熱力驅動熱泵系統缺少商業(yè)認可，所以在相當長的一段時間，這些系統在技術上基本沒有改進。
采用熱力發(fā)動機和常規(guī)工作流體的熱力驅動熱泵雖然得到了發(fā)展，但是卻具有幾個典型的缺點。例如，在熱力發(fā)動機活塞的每次動力沖程的最后，熱力發(fā)動機缸內殘余了具有高達約300°F溫度和約160p.s.i.壓力的流體。當這些流體被排放到冷凝器時，就損失了大量的動能和熱能，從而極大地降低了整個系統的效率。
這種熱力驅動熱泵所面臨的另一個問題是最好將熱力發(fā)動機和壓縮機組合在單個的機架內，該機架應該具有將熱力發(fā)動機活塞連接到壓縮機活塞的活塞桿。由于熱力發(fā)動機內和壓縮機內的工作流體的最優(yōu)性能基本不同，所以它們必然要采用兩種不同的制冷劑。在這種情況下，通常會遇到的問題是高壓工作流體最終會穿過各種密封遷移到低壓工作流，從而會不利地改變低壓工作流體的工作性能。
設計熱力發(fā)動機中的另一個困難是提供能夠有效地在高蒸汽壓力工作沖程和排出沖程之間轉換的閥門。當傳統的閥門進行轉換時，蒸汽吹入缸內的速度過快，使得整個熱泵劇烈振動或搖擺，從而將縮短熱力發(fā)動機的壽命并且使人感到不舒服。在減慢閥門轉換移動方面的努力獲得了成功，因為當閥門緩慢地從高氣壓位置移動到排出位置時蒸汽將能夠利用閥門泄漏。
關于熱力發(fā)動機中的另一個眾所周知的困難是當設備尚未啟動和溫度較低時熱力發(fā)動機的啟動問題。當動力部件熱發(fā)生器或蒸發(fā)器首次將熱蒸汽傳送到熱力發(fā)動機的動力腔時，蒸汽在驅動活塞之前就已冷凝。由于熱發(fā)生器的工作流體的總量有限，這樣在熱力發(fā)動機的動力腔達到工作溫度前，工作流體的量就會減少。這將造成熱發(fā)生器的過度加熱，并可能使工作流體灼熱，從而在熱泵能夠再次正常工作前需要進行大量維修。
由于上述各種因素或這些因素的組合，熱力驅動熱泵系統沒有獲得商業(yè)認可。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的一個目的在于提供一種可以采用專用熱驅動的熱泵系統。本發(fā)明的另一個目的是提供這樣一種熱泵系統，其中動力部件中的工作流體在熱發(fā)生器或蒸發(fā)器中通過任意的熱源(例如高效氣爐)被汽化。本發(fā)明的又一個目的在于提供這樣一種熱泵系統，其有助于改變能力輔助或動力，例如結合太陽能、生物氣或其它可以產生熱能的能源。
本發(fā)明的另一個目的是提供這樣一種熱泵系統，其中，動力部件的熱力發(fā)動機和壓縮機部件的壓縮機組成了聯合或合并的裝置。本發(fā)明的又一個目的是提供這種聯合熱力發(fā)動機和壓縮機組件，其不需要在發(fā)動機和壓縮機之間通過流體相互連接。本發(fā)明的再一個目的是提供這樣一種聯合熱力發(fā)動機和壓縮機組件，其中熱力發(fā)動機的活塞和壓縮機在機械上相互連接。本發(fā)明的再另一個目的是提供這種聯合熱力發(fā)動機和壓縮機組件，其通過采用兩個間隔開的中間設有加壓水的滾動隔膜(rolling diaphragm)封條，防止工作流體從高壓側向低壓側遷移。隔膜和水結合形成了有效的屏障防止制冷劑移動。
本發(fā)明的又一個目的是提供這樣一種熱泵系統，其中采用獨特的閥門控制流體流入、流出容納熱力發(fā)動機活塞的腔體。本發(fā)明的另一個目的是提供這種閥門，所述閥門通過平滑、無滑動的運動(positivemotion)提供動力和排出沖程之間的轉換，這在活塞動力腔在排出和高壓操作狀態(tài)之間轉換時防止任何滲漏。本發(fā)明的再一個目的是提供這樣一種閥門，其不需要電力或機械轉換機制就能實現閥門操作。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種熱泵系統，其自動地解決當系統尚未運轉，并且熱力發(fā)動機處于室溫時，通常會遇到的冷啟動問題。本發(fā)明的又一個目的是提供與熱力發(fā)動機的缸體鄰接的預熱腔，其容納來自熱發(fā)生器的蒸汽并將冷凝物返流到熱力發(fā)動機中直到熱力發(fā)動機缸體已經足夠熱，這樣，能夠使用熱蒸汽立即驅動活塞進入動力沖程而啟動系統。本發(fā)明的再一個目的是提供這樣一種預熱腔，該預熱腔是包圍陶瓷缸壁的環(huán)形柱體，其通過來自環(huán)形預熱腔的熱蒸汽的傳導被加熱。本發(fā)明的另外一個目的是提供這樣一種預熱腔，該預熱腔設置于產生熱蒸汽工作流體的熱發(fā)生器的上方，這種設置被排放成使最初形成于預熱腔內的任何冷凝物僅通過重力就返流至熱發(fā)生器中，從而再次轉化成熱蒸汽。
本發(fā)明的再一個目的是提供這樣一種熱泵系統，其中來自熱力發(fā)動機活塞的動力沖程結束時的排放動能被用于輔助動力沖程。本發(fā)明的另一個目的是利用來自熱力發(fā)動機的排放，以對驅動泵的渦輪進行操作，從而在熱力發(fā)動機活塞的背面產生真空狀態(tài)，以協助進行熱力發(fā)動機活塞的動力沖程。本發(fā)明的又一個目的是提供渦輪推進器和泵裝置，其可以僅通過熱力發(fā)動機腔排出的蒸汽驅動，或者能夠通過電機或太陽能電機的輔助進一步提高熱力發(fā)動機的操作效率。
本發(fā)明的又一個目的是提供這樣一種熱泵系統，其中，由于整個系統工作在相對較低的溫度，所以所有的移動器件和密封區(qū)域能夠由相對成本較低的陶瓷材料構成。本發(fā)明的另一個目的是提供這樣一種熱泵系統，其中移動器件和密封區(qū)域所采用的陶瓷材料通過提供能夠封住流體且滑動摩擦力很小的接合，從而增加熱泵系統的效率。本發(fā)明的再一個目的是提供這樣一種熱泵系統，其在熱力發(fā)動機部件中可采用每小時僅需更少的熱量就能實現汽化轉換的工作流體，從而熱泵系統的整個效率獲得了相當大地提高。
本發(fā)明的再一個目的是提供這樣一種熱泵系統，其中，使用冷凝泵將工作流體從冷凝器傳輸到熱力發(fā)動機系統的熱發(fā)生器。本發(fā)明的另一個目的是提供這樣一種熱泵系統，其中冷凝泵是活塞驅動冷凝泵。本發(fā)明的又一個目的是提供這樣一種熱泵系統，其中活塞驅動冷凝泵的活塞與熱力發(fā)動機的活塞接合，從而隨著壓縮機和熱力發(fā)動機活塞的運動而被驅動。
本發(fā)明的另一個目的是提供這樣一種熱泵系統，其能夠很容易地使用各種熱交換器，和其它能夠進一步優(yōu)化熱力發(fā)動機系統和壓縮機系統的整體效率的設計特征。本發(fā)明的又一個目的是提供這樣一種熱泵系統，其中熱交換器是三管類型的熱交換器，并用于加熱水，例如放置在貯水池、熱水加熱器等內的水。本發(fā)明的再一個目的是提供一種熱泵系統，其中，來自壓縮機的制冷劑和來自熱力發(fā)動機的工作流體被導入三管式熱交換器中。本發(fā)明的又一個目的是提供這樣一種熱泵系統，其中來自制冷劑和工作流體的熱量被傳輸到貯水池、熱水加熱器等內的水中。
一般而言，本發(fā)明設計了一種熱泵系統，包括熱發(fā)生器；熱力發(fā)動機，由熱發(fā)生器對所述熱力發(fā)動機供應熱力發(fā)動機工作流體，所述熱力發(fā)動機具有熱力發(fā)動機缸腔、熱力發(fā)動機活塞、和熱力發(fā)動機活塞桿；預熱腔，使用熱力發(fā)動機工作流對熱力發(fā)動機缸腔進行加熱；冷凝泵，對所述熱力發(fā)動機提供熱力發(fā)動機工作流體；壓縮機，由所述熱力發(fā)動機使用壓縮機工作流體進行驅動，并具有壓縮機缸腔、壓縮機活塞、和壓縮機活塞桿；分隔器，使熱力發(fā)動機活塞桿和壓縮機活塞桿隔離和接合；以及密封組件，聯合分隔器使熱力發(fā)動機工作流體和壓縮機工作流體隔離；閥門組件，與熱力發(fā)動機缸腔相連通，并用于控制熱力發(fā)動機工作流體進、出熱力發(fā)動機。


圖1是顯示體現本發(fā)明概念的示意性熱泵系統的主要示意圖，其顯示了主要器件之間的連接；圖2是圖1中的聯合熱力發(fā)動機和壓縮機組件的部分放大示意剖面圖；圖3是使活塞桿與熱力發(fā)動機的活塞和壓縮機組件的活塞相連接的密封組件的部分放大示意剖面圖；圖4是用于作為動力活塞的位置函數，而控制工作流體進、出熱力發(fā)動機活塞腔的閥門的部分放大示意剖面圖；圖5是采用可選的渦輪電機，和圖4中示出的閥門的改進形式的熱泵系統的剖面部分的放大示意圖；圖6是熱泵系統在泵沖程結束時的可選的活塞驅動冷凝泵的正視圖，其部分以剖面顯示，并示意性地顯示了連接關系；圖7是類似于圖6所示的活塞驅動冷凝泵的視圖，其顯示了位于泵沖程的不同位置的活塞；
圖8是與水加熱系統一起使用的熱泵系統的主要示意圖。
優(yōu)選實施方式在圖1中用附圖標記10一般性地顯示了體現本發(fā)明概念的示例性熱泵系統。盡管這里描述和顯示的示例性熱泵系統10尤其適用于以住宅為目的而使用的3頓容量(three-ton unit)類型的應用，但是可以根據不同的需要采用更大或者更小的單位，并且本發(fā)明能夠很容易地適用于車輛或者其它應用，尤其適用于可利用過剩熱量的情況。
熱泵系統10具有用附圖標記11一般性地表示的動力部件，動力部件用于連接或驅動用附圖標記12一般性地表示的壓縮機部件。通過下面的描述可以得知，動力部件11采用朗肯循環(huán)(Rankin cycle)，壓縮機部件12采用蒸汽壓縮循環(huán)。因此，在動力部件11和壓縮機部件12采用不同的工作流體，這將在下文中進行詳細描述。動力部件11具有用附圖標記15一般性地表示的常規(guī)熱發(fā)生器或蒸發(fā)器，該常規(guī)熱發(fā)生器或蒸發(fā)器通過燃料進入管道16接收燃料和空氣混合物，燃料和混合物由燃燒器17點燃以加熱發(fā)生器15中的一連串帶有散熱片的旋管(finned coils)中的工作流體18。盡管圖1中的裝置設想(contemplate)使用傳統的高效燃燒天然氣或丙烷的熱發(fā)生器，但可以理解，根據燃料的可用性以及相關因素，還能夠采用其他的熱源(例如燃氣鍋爐等)，以對旋管19中的工作流體18進行加熱，從而在發(fā)生器15中的膨脹室19’中產生飽和蒸汽條件。
為使動力部件11獲得最大的效率，優(yōu)選的工作流體是制冷劑，其中存儲在液體中使其達到的沸點的潛熱必須很低。一種特別適合的產品是HFC-72，它比傳統的R113制冷劑提高了40％的效率，該產品也可以用于本發(fā)明。還應該理解的是，其他具有相似特征的氟氯碳氫化合物或制冷劑也能夠用于本發(fā)明。
通過動力部件的高壓氣管20，熱蒸汽工作流體18從發(fā)生器15的膨脹室19’被提供到用附圖標記25一般性地表示的聯合熱力發(fā)動機和壓縮機組件中。如圖1和圖2所示，熱力發(fā)動機和壓縮機組件25具有由附圖標記26一般性地表示的熱力發(fā)動機部件，該熱力發(fā)動機部件26具有通常為圓筒形的放大的缸架27。熱力發(fā)動機部件26具有上端蓋28和下端蓋29，從而和缸架27一起形成閉合的熱力發(fā)動機部件26。與圓筒形的缸架27向內徑向相隔的內缸壁30在上端蓋28和下端蓋29之間延伸。這樣，在圓筒形的缸架27和內缸壁30之間形成環(huán)狀預熱腔31。優(yōu)選地，內缸壁30由陶瓷材料形成，例如水合硅酸鋁(aluminasilicate)或其它具有光滑表面并能導熱的材料。熱力發(fā)動機活塞32設置在內缸壁30內部。熱力發(fā)動機活塞32有益地具有徑向外面層33，外面層33可以采用與內缸壁30相似的陶瓷構成，用于封住流體并與內缸壁30具有低的滑動摩擦接合。
預熱腔31用于克服通常會困擾溫熱泵的冷啟動問題。在打開螺線管(未示出)將熱力發(fā)動機和壓縮機組件轉至操作狀態(tài)之前，開動發(fā)生器15產生熱蒸汽，并通過高壓氣管20將熱蒸汽傳送到預熱腔31中。起初，該熱蒸汽通過預熱腔31中的低溫壁而冷凝。然后，因為發(fā)生器15被有意地設置在預熱腔31的下方，所以冷凝的液體由于重力作用又返流回高壓氣管。隨后，該冷凝的蒸汽在膨脹室19’中再次被轉換為熱高壓氣體，并再次通過高壓氣管20傳送到預熱腔31中。最后，預熱腔31基本達到與發(fā)生器15中的旋管19相同的溫度，并停止預熱腔31中的冷凝。此時，打開螺線管從而使得熱力發(fā)動機和壓縮機組件25開始操作。值得注意的是，預熱腔31中的熱量通過陶瓷的內缸壁30被傳遞到面層33、活塞32以及熱力發(fā)動機部件26的缸腔34中。預熱腔31還能用作膨脹箱以儲存熱的增壓蒸汽，根據熱力發(fā)動機和壓縮機組件25的操作規(guī)定，該熱的增壓蒸汽能被立即在熱力發(fā)動機部件26中使用。
參考圖2和圖3，熱力發(fā)動機活塞32與在熱力發(fā)動機缸腔34內向上延伸的熱力發(fā)動機活塞桿35連接。熱力發(fā)動機部件26的上端蓋28具有容納熱力發(fā)動機活塞桿35的軸向延伸的圓筒形頸部36。該圓筒形頸部36終止于徑向延伸的凸緣37，該凸緣37是用附圖標記38一般性地表示的密封組件的一部分。
熱力發(fā)動機部件26的熱力發(fā)動機活塞桿35與聯合熱力發(fā)動機和壓縮機組件25的壓縮機相互連接，該壓縮機用附圖標記40一般性地表示。壓縮機40在多個方面具有與熱力發(fā)動機26相似的結構設置。尤其是壓縮機40具有通常為圓筒形的缸架41。壓縮機40具有上端蓋42和下端蓋43，從而和缸架41一起形成了閉合的壓縮機40。壓縮機活塞44設置在缸架41內部。壓縮機活塞44上可以設置有與熱力發(fā)動機活塞32的面層33類似的徑向外面層45。與熱力發(fā)動機部件26類似，缸架41和活塞44的面層45可以采用陶瓷，用于封住流體并與熱力發(fā)動機部件26的內缸壁30和面層33具有低的滑動摩擦接合，如上所述。缸架41和上端蓋42以及下端蓋43限定了壓縮機缸腔，壓縮機活塞44在壓縮機缸腔內移動。
壓縮機活塞44與壓縮機活塞桿47相連接，該活塞桿47在壓縮機缸腔46內向下延伸。下端蓋43具有容納壓縮機活塞桿47的軸向延伸的圓筒形頸部48。該圓筒形頸部48終止于徑向延伸的凸緣49，凸緣49與熱力發(fā)動機部件26的上端蓋28的凸緣37匹配接合，從而形成密封組件38的另一部件。圓形隔板50將熱力發(fā)動機活塞桿35的上端和壓縮機活塞桿47的下端隔開。
密封組件38還具有第一彈性隔膜51，該彈性隔膜51位于圓形隔板50和壓縮機活塞桿47的一端之間，并在壓縮機活塞桿47和下端蓋43的圓筒形頸部48之間延伸至凸緣49的徑向表面，并在該徑向表面終止于外凸緣折邊(bead)52。第二彈性隔膜53位于圓形隔板50和熱力發(fā)動機活塞桿35的頂端之間，并在活塞桿35和上端蓋28的圓筒形頸部36之間延伸至凸緣37的徑向表面，在該徑向表面終止于外凸緣折邊54。環(huán)形插入件55將凸緣折邊52和54隔離，其厚度與圓形隔板50的厚度基本相同。第一隔膜51和第二隔膜52具有圓周密封件56，分別位于環(huán)形插入件55和凸緣49和37的徑向表面之間。當位于如圖3所示的、活塞32和44基本位于缸腔34和46的沖程中間的配置時，凸緣37和49通過多個緊固件57接合，緊固件57例如是機器螺釘或其它接合元件。當按照圖3所示的方式安裝隔膜51和53時，活塞桿35和47通過緊固件58結合，該緊固件58將圓形隔板50以及隔膜51和53固定在圖3所示的位置。隔膜51、53隨著活塞桿85、47的移動像普通的滾動隔膜一樣工作。雖然隔膜51、53可以由織物加強性的低滲透彈性物構成，在使用了多年經過了上百萬次操作循環(huán)后，這并不能使其排除工作流體在壓縮機部件和熱力發(fā)動機部件之間的滲漏。
在本發(fā)明的優(yōu)選結構中，流體F分別在活塞35與上端蓋28的圓筒形頸部36以及活塞47與下端蓋43的圓筒形頸部48之間的區(qū)域設置在隔膜51和53之間?？梢岳斫?，通過采用壓力大約為150p.s.i.的流體F，或者當特殊的熱泵系統10的動力部件11和壓縮機部件12之間的壓力適當時，壓縮機缸腔46和熱力發(fā)動機缸腔34之間能夠實現有效的密封。本發(fā)明中優(yōu)選的流體F是水，或者其它不會吸收會從制冷劑中游離出來的氟里昂(freon)分子的流體。通過位于環(huán)形插入件55中的填充管59，流體F能夠有效地在隔膜51和53之間進出。
來自熱力發(fā)生器15的飽和蒸汽通過用附圖標記一般性地示為60的閥門組件進、出熱力發(fā)動機和壓縮機組件25的熱力發(fā)動機部件26。參見附圖中的圖1、圖2和圖4，閥門組件60可以便利地安裝到熱力發(fā)動機部件26，閥門組件60尤其可以便利地安裝到下端蓋29從而可以直接連通熱力發(fā)動機部件26的缸腔34。如圖所示，閥門組件60具有通常為圓筒形的機架，該機架上具有用以容納一直延伸到熱力發(fā)動機部件26的下端蓋29中的緊固件(例如機器螺釘63)的多個鉆孔62。閥門組件60還具有機座64，該機座64和機架61以及下端蓋29一起限定了能夠選擇性地與熱力發(fā)動機部件26的缸腔34相連通的閉合腔。
閥門組件60包括閥門元件(用附圖標記65一般性地表示)。該閥門元件65具有伸長的圓筒形桿66。在桿66的一個末端帶有進口控制活塞67，另一末端帶有流控制繞軸門(spool gate)68。進口控制活塞67和流控制繞軸門68都在閥門組件60的機架61內相對于套管69進行操作。進口控制活塞67和套管69可以優(yōu)選地采用如前所述的陶瓷材料制成，用于封住流體并在上述部件之間具有低的滑動摩擦。閥桿66的上部、套管69、以及繞軸門68的下端和進口控制活塞67的上表之間的空間限定出熱力發(fā)動機排出腔70。該熱力發(fā)動機排出腔70與和熱力發(fā)動機排出管72相互連接的一個或多個熱力發(fā)動機排出端口71相連通。
用于對熱力發(fā)動機部件26供應能量的高壓、高溫工作流體18被供應到高壓氣進入端口75。如圖所示，高壓氣進入端口由高壓氣管76提供輸入，該高壓氣管76可以源自預熱腔31(圖2)。可選擇地，高壓氣管76能夠源自熱力發(fā)生器15或者是高壓氣管20的支管。高壓氣進入端口75與密封裝置77連通，該密封裝置形成于沿整個套管69的周圍延伸的機架61內。通過這種方式，可以預熱和加熱套管69和進口控制活塞67，從而最大限度的減少在閥門組件60內生產冷凝的可能。套管進入管78與密封裝置77連通。如圖4所示，當閥門元件65位于在圖中所顯示的動力沖程位置時，套管進入管78與活塞進入管79連通。當閥門元件65位于如圖4中虛線所示的排出位置65’以及位于如圖2所示的位置時，套管進入管78與活塞進入管79不連通?；钊M入管79與缸桿進入管80相連通，缸桿進入管80連接杠桿66上端的輸入孔81，該輸入孔81與熱力發(fā)動機部件26的缸腔34的內部連通。還應該認識到，當閥門元件65位于如圖4所示的排出位置65’時，排出腔70敞開并連通熱力發(fā)動機缸腔34，從而熱力發(fā)動機排出管72也敞開并與熱力發(fā)動機缸腔34連通。進口控制活塞67上也可以設置貫通通風口82，該貫通通風口82軸向延伸控制活塞67的長度進入至通風孔83，該通風孔83與發(fā)動機冷凝器102相連接以排除由于閥門組件60中的流體泄漏可能引起的壓力累積。
如圖4所示，閥門組件60的機架61底部承載導向活塞85。該導向活塞85在整個垂直移動范圍被導向活塞套管86包裹。導向活塞85和導向活塞套管86類似地也可以采用上述陶瓷構成，用于封住流體并使導向活塞85和導向活塞套管86之間的接合具有低的滑動摩擦。導向活塞85上帶有通常為倒T形結構的整體成形的桿伸長部87。桿伸長部87具有突出耦合器88，突耦合器88為圓筒狀并在其外表面具有螺紋89。缸桿66具有孔90，孔90具有內螺紋以螺紋接合地容納導向活塞85的突出耦合器88。桿伸長部87由含鐵金屬構成，其目的將在下面清楚地描述。
環(huán)形磁體91安裝在機架61中，并與導向活塞管套86鄰接并沿導向活塞管套86的徑向向內延伸。環(huán)形磁體91具有保持環(huán)形緩沖器93的圓周凹部92。環(huán)形緩沖器93減緩導向活塞85，并且因此在閥門元件65向上移動到如圖4所示的排出位置65’時，減緩閥門元件65的停止。
導向活塞85的底部與桿伸長部87相對的位置承載環(huán)狀緩沖塊95，環(huán)狀緩沖塊95減緩當導向活塞85位于如圖4中實線所示的閥門組件65的動力沖程位置時的到達壓力。壓縮彈簧96安裝在閥門組件60的基座64的鉆孔中。當磁體91松開導向活塞85時，彈簧96對活塞進行平衡，以減緩活塞下落到如圖4中實線所示的動力沖程位置。
裝有彈簧96的孔97與閥門組件60的機架61中的導向轉換管進入端98連通。導向轉換管99從導向轉換管進入端98延伸至熱力發(fā)動機缸腔34的端口100(圖2)。如圖2所示，端口100位于在垂直位置限定熱力發(fā)動機缸腔34的內缸壁30上，當熱力發(fā)動機活塞位于虛線位置32’所示的向上的動力沖程的末端時，端口100恰好位于熱力發(fā)動機活塞32的下方。
在操作中，如圖2和圖4所示，閥門組件60與熱力發(fā)動機和壓縮機組件25以下述方式操作。在熱力發(fā)動機部件26的動力沖程正要開始之前，熱力發(fā)動機活塞32位于熱力發(fā)動機缸腔34底部的虛線位置32”。閥門組件60位于如圖4中實線所示的動力沖程位置，并且活塞32推動閥門元件65向下移動。熱力發(fā)動機部件具有出口端101，該出口端101優(yōu)選地位于上端蓋28上并與閥門組件60(圖1)連接，以移除來自熱力發(fā)動機活塞32上方的熱力發(fā)動機缸腔34的壓力。
熱力發(fā)動機和壓縮機組件25的壓縮機40同時具有帶有壓縮機高壓氣檢測閥106的壓縮機高壓氣出口端105，該壓縮機高壓氣檢測閥106是打開的，并與壓縮機高壓氣管107連接。壓縮機高壓氣出口端105位于壓縮機缸腔46的上端，并優(yōu)選地位于上端蓋42中。壓縮機低壓氣進入端110也位于上端蓋42上，壓縮機低壓氣進入端110通過壓縮機低壓氣檢測閥111進行操作。檢測閥111與壓縮機低壓氣管112連接，壓縮機低壓氣管112是從室內蒸發(fā)器115(圖1)出來的回流管。當動力沖程開始時，壓縮機低壓氣檢測閥111處于關閉位置。如圖1和圖3所示，壓縮機低壓氣管112分出與壓縮機低壓氣供給端117相連接的支路低壓氣管116，該壓縮機低壓氣供給端117通過設置在壓縮機40的下端蓋43中與壓縮機活塞44的下側連通。通過循環(huán)操作，持續(xù)地將低壓氣體供給低壓氣供給端117。
如上所述，當預熱結束時，通過打開高壓氣進入管76上的螺旋管120開啟動力沖程。當閥門組件60位于動力沖程位置時，向位于熱力發(fā)動機活塞32下方的熱力發(fā)動機缸腔34提供高壓氣，該熱力發(fā)動機活塞32在動力沖程中受驅動向上運動。隨著支路低壓氣管116在壓縮機活塞44下方提供低壓氣以輔助動力沖程，壓縮機活塞44同時地在其動力沖程中移動。在動力沖程過程中，迫使高壓氣體從壓縮機缸腔46通過壓縮機高壓氣檢測閥106傳送到壓縮機高壓氣管107中。
當熱力發(fā)動機活塞32到達動力沖程的末端位置32’時，導向轉換管99通過端口100連通，使得熱力發(fā)動機腔34的位于熱力發(fā)動機活塞32下方的部分能夠將高壓氣體通過導向轉換管99傳送到閥門組件60中。高壓氣體進入導向轉換管進入端98并作用于導向活塞85。熱力發(fā)動機缸腔內具有同樣的壓力并作用于繞軸門68的上表面。由于導向活塞85的表面積比繞軸門68的表面積大的多，所以閥門組件60必然向上移動至前述的排出位置，即如圖4所示的閥門元件65的位置65’。如上所述，這時熱力發(fā)動機缸腔34與熱力發(fā)動機排出管72連通。
同時，壓縮機活塞44在壓縮機缸腔46的頂部到達動力沖程的末端。此時，壓縮機高壓檢測閥106關閉，壓縮機低壓檢測閥111打開。由于壓縮機低壓氣進入管112和支路低壓氣管116的氣壓相等，所以壓縮機活塞44上面和下面的氣壓相等。但是，由于壓縮機活塞44上表面的流體工作面積大于壓縮機活塞44下表面的工作面積，借助壓縮機活塞桿47，在熱力發(fā)動機活塞32的回流或排出沖程過程中，壓縮機活塞46向下移動驅動發(fā)動機活塞32。在排出沖程過程中，借助閥門組件60的彈簧96，磁體91將導向活塞85和閥門元件65保持在排出位置并使位于排出位置。此外，鎖定管103(圖2和圖4)連通熱力發(fā)動機缸腔34的底部和位于在排出位置85’處的導向活塞85下面的導向活塞腔94。因此，排出的壓力施加到導向活塞85的下表面以確保即使在最熱的時候冷凝器中聚集的壓力也不會使導向活塞85過早地轉換離開排出位置。
緊接熱力發(fā)動機活塞32的排出沖程的末端，活塞32的下表面與閥門元件65的繞軸門68物理接合，并緩慢地將閥門元件65從排出位置推至動力沖程位置。部分地關閉的閥門元件65減緩熱力發(fā)動機活塞32的下降，而在熱力發(fā)動機活塞32下面積累壓力。熱力發(fā)動機活塞32的動作將導向活塞85從其與磁體91的接合中移開。此時，當導向活塞85向下移動接合到閥門組件60的機座64上的緩沖塊95時，彈簧96延遲導向活塞85的下降，以此完成熱力發(fā)動機活塞32的排出沖程。隨著導向閥85開始向下移動，鎖定管103被封閉。導向活塞腔94內的所有過剩氣體將通過轉換管99排入發(fā)動機冷凝器102中。導向活塞腔94的頂部設有連接到發(fā)動機冷凝器102的通風管104，即使在最熱的時候，通風管104也能夠排除導向活塞85上面聚集的壓力(圖4)。這樣，如上所述，閥門組件60位于動力沖程位置，熱力發(fā)動機和壓縮機組件25開始下一次循環(huán)。
流入流出壓縮機部件40的工作流體(通常為R22)基本上與傳統的熱泵操作一致，在我先前的第5,129,236號美國專利中描述了其工作原理。如圖1所示，從壓縮機40中傳輸到高壓氣管107的高壓制冷劑被導入作為減溫器125使用的熱力交換器，在熱力交換器通過將熱量釋放給如下所述的動力部件11的管道中的流體，高壓制冷劑在一定程度上被降溫。高壓氣制冷劑從減溫器125排入到與四通閥127相連的高壓降溫氣管126中。在具有了能夠提供實現制冷和制熱操作所必須的流動反向功能四通閥127后，壓縮機部件12的其余器件可基本實現傳統的熱泵系統器件和操作。
在空氣調節(jié)或制冷操作模式下，四通閥127實現高壓降溫氣管126和將氣態(tài)的制冷劑傳送到標準的空氣調節(jié)冷凝器130中的冷凝器氣管128之間的連接。隨著制冷劑轉換為液態(tài)，冷凝器130將氣態(tài)制冷劑中的熱能轉移到周圍的空氣中。液態(tài)制冷劑從冷凝器130經冷凝器液體管131(其將冷凝器液體導引通過膨脹檢測閥132)排出至蒸發(fā)器115，在蒸發(fā)器115處，液態(tài)制冷劑吸收來自待制冷區(qū)域的在蒸發(fā)器115內循環(huán)的空氣中的熱量并轉化成為氣態(tài)制冷劑。該制冷劑從蒸發(fā)器115通過與四通閥127相連接的蒸發(fā)器氣管133排出。在制冷模式下，閥127連通蒸發(fā)器氣管115和壓縮機低壓氣管112連接，制冷劑通過壓縮機低壓氣管112返流回壓縮機40。
在制熱操作模式下，壓縮機40以同樣的方式操作。在本實施例中，四通閥127將高壓降溫氣管126和蒸發(fā)器氣管133連通。蒸發(fā)器氣管133中的制冷劑氣體被傳送到蒸發(fā)器115中并在蒸發(fā)器115中凝結，以將所冷凝的潛熱釋放到待加熱區(qū)域的空氣中。在蒸發(fā)器115中被冷凝成液態(tài)的制冷劑通過膨脹檢測閥132排出到冷凝器液體管131，冷凝器液體管131將該液態(tài)的制冷劑傳遞到冷凝器130中。通過從冷凝器130中吸收釋放熱以及從周圍空氣吸收蒸發(fā)所必須的熱量，冷凝器130中的液態(tài)制冷劑轉化為氣態(tài)。在冷凝器130中形成的氣態(tài)制冷劑通過與四通閥127連接的冷凝器氣管128排放。在制熱模式下，四通閥127連通冷凝器氣管128和壓縮機低壓氣管112，使氣態(tài)制冷劑返流回壓縮機40。
參考圖1和圖2，熱力發(fā)動機排出管72中的溫度降低且壓力減小的工作流體18被傳送到三通閥135，三通閥135通常與熱力發(fā)動機換熱器氣體輸入管136相連，換熱器氣體輸入管136將流體傳送到作為熱交換器使用的熱力發(fā)動機換熱器137。如下文所述，隨著其它流經熱力發(fā)動機換熱器137的流體在一定程度上被加熱，氣體的溫度有所降低。發(fā)動機冷凝器氣體入口管138將溫度降低了的氣體傳送到發(fā)動機冷凝器102中。發(fā)動機冷凝器102可以是普通的空氣調節(jié)冷凝器，其中，通過風扇139，周圍的空氣經過容納了氣體的螺旋管表面，以降到足夠低到能使氣體轉換成液體的溫度。
在制熱模式下，三通閥135可以將熱力發(fā)動機排出管72內的氣體通過換熱器支路管139直接傳送到發(fā)動機冷凝器氣體入口管138并傳送到發(fā)動機冷凝器102中。這樣就使得熱力發(fā)動機換熱器137內的其它流體不會增加熱量。
發(fā)動機冷凝器102中的冷凝液通過與冷凝泵141相連的冷凝液體出口管140排出。盡管冷凝泵141可以采用各種泵，但一個實施例是采用在我先前的第5,129,236號美國專利中描述的隔膜泵。采用這種隔膜泵設計的冷凝泵141直接連接動力部件11，并與熱力發(fā)動機缸腔34連通以獲得動力。
可選擇地，冷凝泵141也能夠是活塞驅動冷凝泵，其在圖6和圖7中用附圖標記141’一般性地表示?；钊寗永淠?41’包括帶有圓筒形空腔241的機架240。圓筒形空腔241內容納具有內表面243的陶瓷管套242。具有頂部表面252和底部表面253的泵活塞250位于陶瓷管套242的內部。優(yōu)選地，泵活塞250具有徑向的外面層251，外面層251可以由內表面243所采用的陶瓷制成，從而封住流體并與管套242的內表面243之間的接合具有低的滑動摩擦。如下文所述，泵活塞250在陶瓷管套242的內部往復運動，從而實現冷凝泵141’的泵作用。
泵活塞250的頂部表面252與驅動桿254的一端相連。驅動桿254的另一端與熱力發(fā)動機活塞32相連。熱力發(fā)動機活塞32在缸腔34內的往復運動相應地使得泵活塞250在陶瓷管套242內往復運動。泵活塞250的往復運動通過增加或減少泵腔255的大小，從而實現冷凝泵141’的泵作用。
泵活塞250的底部表面253、陶瓷管套242的內表面243和圓筒形空腔241的低部形成泵腔255。在熱力發(fā)動機活塞32的動力沖程過程中，泵活塞250將向上移動，從而將冷凝液通過冷凝液出口管140和入口260從冷凝器102抽入到泵腔255(圖7)中。此外，在熱力發(fā)動機活塞32的排出沖程中，泵活塞150將向下移動，從而將冷凝液從處于壓力下的泵腔255通過出口261排出到冷凝泵出口管142中。檢測閥266和267分別設置在入口260和出口261中，用以通過阻止冷凝液通過入口260和出口261倒流，從而便利冷凝液以適當的方向流動。如圖6所示，由于泵活塞250位于其行程的底部，所以所有的冷凝液都被排出，泵腔255的具有最小的排量(displacement)。
活塞驅動冷凝泵141’利用了動力和熱力發(fā)動機活塞32的排出沖程所提供的能量。然而，由于熱力發(fā)動機活塞32必須在高溫下工作，所以熱量通過驅動桿254轉移到泵活塞250上。轉移到泵活塞250上的熱量可以使抽入到冷凝泵141’中的冷凝液蒸發(fā)。這種蒸發(fā)作用所形成的蒸汽可能會導致汽封，從而阻礙活塞驅動冷凝泵141’將冷凝液吸入到泵腔255中。
為了消除這種潛在的問題，泵活塞250和泵腔255必須和冷凝器102的出口一樣冷或者比其更冷以防止冷凝液蒸發(fā)。為了幫助防止這種蒸發(fā)，在冷卻腔270中抽入和排出單獨的冷凍液。冷卻腔270部分地由設置在圓筒形空腔241上部的圓筒形陶瓷封條262形成。圓筒形陶瓷封條262的內表面263的大小正好和驅動桿254密封地接合。如圖6和圖7所示，驅動桿254結合圓筒形陶瓷封條262、陶瓷管套242的內表面243以及泵活塞250的頂表面252一起形成了冷卻腔270。
和泵腔255一樣，冷卻腔270的大小取決于泵活塞250的位置，并且泵活塞250的往復運動實現了泵作用。此外，冷卻腔270通過轉換管271與冷凝器102的最冷部分連通。因此，隨著活塞的往復，冷凍液從冷凝器102通過轉換管271抽取并被抽入到冷卻腔270中，或者冷凍液從冷卻腔270排回到冷凝器102中。因此，冷凍液能夠移除來自冷凝泵141’中的多余熱量，并通過阻止冷凝液的蒸發(fā)防止汽封。
另外，為了幫助阻止上述的蒸發(fā)，活塞驅動冷凝泵141’的機架240還能夠設置多個散熱片272。提供風扇273將空氣吹向冷凝泵141’，優(yōu)選地，散熱片272將進一步移除多余的熱量。
冷凝泵141和141’的任一實施方式的操作都是將受壓的冷凝液通過冷凝泵出口管142排放經過熱力發(fā)生器15的通風換熱器145。經過通風換熱器145的液體從排出的蒸汽中吸收熱量，并傳遞到穿過電磁閥147的通風換熱器出口管146，電磁閥147通常將通風換熱器出口管146連接到發(fā)動機換熱器137，如上所述，發(fā)動機換熱器137處的熱量來自熱力發(fā)動機排出管72。此后，發(fā)動機換熱器液體出口管140將冷凝液導經減溫器125，減溫器125處的熱量來自壓縮機部件12的壓縮機高壓氣管107。加熱后的冷凝液通過與熱力發(fā)生器15相連的減溫器液體出口管150流出減溫器125，并且在流經熱力發(fā)生器15的旋管19后冷凝液回到起始的壓力和溫度。
可選地，在流入發(fā)生器15之前，減溫器液體出口管150中的回流液態(tài)冷凝物可以被進一步加熱。例如，可選擇的能量補充可以是太陽能、生物氣(biogas)或其它能夠產生熱量的可用燃料。包含一個或多個太陽電池板的太陽能收集器151尤其適合為熱泵系統10提供操作所需的全部或部分熱量。當來自太陽能收集器151的熱量可用時，太陽電池板可以通過減溫器液體出口管150中的溫控螺線管152相互連接。
當室外空氣的溫度低于使發(fā)動機冷凝器102中的蒸汽凝結所需溫度時，在熱泵系統10的制熱模式使用中，可以驅動恒溫(themostatically)控制螺線閥147。當螺線閥147在這種溫度條件下被驅動時，從通風換熱器145排出的液態(tài)冷凝物被導入與減溫器液體出口管150相連的冷凝物回流管153，以在熱力發(fā)動機15和/或太陽能收集器151處被再加熱。
結合圖2描述了采用通風換熱器145的另一方式。在本實施例中，從室內蒸發(fā)器115回流入壓縮機低壓氣管112中的液體在被導入壓縮機40之前先被導入通過通風換熱器145。這樣，就將通風溫度降低到普通空調爐的溫度，同時壓縮機低壓氣管112和116獲得一定的熱量，從而在壓縮機活塞44的動力沖程過程中，通過支路低壓氣供給端117向壓縮機活塞44提供大量的輔助熱能。如果對該流程進行改進，則從冷凝泵141流出通過冷凝泵出口管142的冷凝液無需經過通風換熱器145，即直接流入發(fā)動機換熱器137和減溫器125中。
圖5顯示了渦輪助動器的可選改進結構(一般性地用附圖標記155表示)用于提高圖1中所示熱泵系統10的效率。渦輪助動器具有設置在熱力發(fā)動機排出管72內的渦輪組件(用附圖標記156一般性地表示)。渦輪組件156具有渦輪機葉輪157，該渦輪機葉輪157由熱力發(fā)動機排出管72中的蒸汽驅動以進行高速轉動。渦輪機葉輪157緊固在渦輪軸158上，渦輪軸158上非轉動式地承載渦輪葉輪泵159，優(yōu)選地，渦輪葉輪泵159的直徑比渦輪機葉輪157足夠小，以使渦輪機葉輪157能夠很容易地驅動葉輪泵159。真空罐160與渦輪組件156相連，真空罐160與渦輪組件輸入管161相連，渦輪組件輸入管161與葉輪泵159連通。渦輪組件輸出管162連接到葉輪泵的出口端，并從其延伸至發(fā)動機冷凝器102，發(fā)動機冷凝器102保持在充分地高于真空罐160現有的降低真空壓的人工氣壓下。
發(fā)動機冷凝器102和真空罐160可通過熱力發(fā)動機部件26的上端蓋28中的出口端101有選擇地與熱力發(fā)動機活塞32上方的熱力發(fā)動機缸腔34相連接。為此，真空管163從出口端101延伸至用附圖標記165一般性地表示的流動選擇閥。流動選擇閥165可以有益地設置在閥門組件60的下部，閥門組件60的操作方式如前所述。流動選擇閥165具有孔閥(ported valve)166，孔閥166可以將真空管163與冷凝器連接管167或者與真空罐連接管168連接?？组y166可以很方便地連接到閥門組件60的伸長機架170中的導向活塞85，并隨導向活塞85移動。在熱力發(fā)動機活塞32的整個排出沖程過程中(到達并包括圖5所示的位置)，流動選擇閥165將冷凝器連接管167和真空管163連通，使得熱力發(fā)動機缸腔34具有冷凝器的壓力，因此在排出沖程中熱力發(fā)動機活塞32兩端的壓力均衡。在排出沖程中，通過流動選擇閥165真空罐連接管168和真空管163之間不連通。
當閥門組件60從排出沖程位置移動到動力沖程位置時，冷凝器連接管167與真空管163斷開連通，而真空罐連接管168和真空管163之間通過流動選擇閥165連通。因此，在動力沖程過程中，熱力發(fā)動機缸腔34和真空罐160連接。這在動力沖程過程中極大地減少了作用于熱力發(fā)動機活塞32上的反向壓力，從而充分地提高了熱力發(fā)動機部件26的操作效率。根據動力沖程的設定以及流動選擇閥165相應的驅動，真空罐160能夠立即快速抽空發(fā)動機缸腔34?？梢岳斫?，渦輪助動器155能夠進一步優(yōu)化熱泵系統10中的能量利用，從而使其效率最大化。
在本發(fā)明的另一個實施方式中，熱泵系統10能夠用于加熱貯液器，例如儲存于一個或多個蓄水池P、熱水加熱器等中的水。如圖8所示，用附圖標記為180一般性地表示的熱交換器用于加熱蓄水池P，并同時作為冷凝器用以冷卻來自高壓排出管107的高壓制冷劑，及來自熱力發(fā)動機排出管72的工作流體18。優(yōu)選地，熱交換機180采用帶有三個同心管的三管式結構。例如，第一管181放置在第二管182內，第二管182放置在第三管183內。不過，為了更好地進行說明，在圖8中熱交換器180采用并排放置的三管式結構。第一管181與高壓氣管107連接，并使高壓制冷劑流經熱交換器180。第二管或中間管182通過水池出口管184和水池入口管185與蓄水池P連接，并使水從蓄水池P流經熱交換器180。第三管183與熱力發(fā)動機排出管72相連，并使氣態(tài)的工作流體18流經熱交換機180。
當第一管181中的高壓制冷劑流經熱交換器180時，高壓制冷劑從氣態(tài)凝結為液態(tài)，從而將冷凝潛熱釋放給熱交換機180。因此，來自高壓制冷劑的冷凝潛熱被傳遞到第二管182中的蓄水中。此外，工作流體18還將其冷凝潛熱傳遞到第二管182中的蓄水中。例如，氣態(tài)的工作流體18通過熱力發(fā)動機排出管72流入第三管183中。如圖8所示，當渦輪助動器155被可選地使用時，工作流體18從熱力發(fā)動機部件26流出，并被導入渦輪組件156。如上所述，工作流體18作用于渦輪機葉輪157上使其高速轉動，從而驅動葉輪泵159。工作流體18從渦輪組件156中流出后，被導入熱交換器180中(在熱交換器180中，工作流體18流經第三管183)，并將工作流體18的冷凝潛熱傳遞給第二管182中的蓄水。隨著冷凝潛熱被傳遞到第二管182中的池水，第三管183內的工作流體18從氣體轉化為液體。
正如圖5所示的結構，當使用渦輪助動器155時，流動選擇閥165相應于熱泵系統10的排出沖程和動力沖程控制工作流體18流入和流出熱力發(fā)動機缸腔34。在動力沖程過程中，來自熱力發(fā)動機缸腔34的工作流體18通過流動選擇閥165被導入回流管193和第三管183中。此外，在動力沖程過程中，來自回流管193的工作流體通過流動選擇閥165被導入熱力發(fā)動機缸腔34中。如上所述，工作流體18流入和流出熱力發(fā)動機缸腔的運動能夠提高熱泵系統10的效率。
為便于討論，在動力沖程過程中工作流體18開始流動。例如，流動選擇閥165連通真空管163和真空罐控制管162，從而將工作流體18從熱力發(fā)動機缸腔34中移出。隨者工作流體流經流動選擇閥165，工作流體18被導經真空罐控制管162、真空罐160以及渦輪組件輸入管161。隨后，葉輪泵159通過渦輪組件輸入管162將工作流體18抽入到回流管193。在排出沖程過程中，回流管193內充滿了工作流體18使得回流管193和流動選擇閥165之間的流體連接。
當注入回流管193后，所有多余的工作流體18被導入第三管183。除了使工作流體18流經熱交換器180外，第三管183也用于儲存工作流體18。例如，如下所述，渦輪組件輸出管162連接在第三管183上位于工作流體18在熱力發(fā)動機排出管72和液體出口管192之間進行循環(huán)的上游位置。這樣，當回流管193被注滿后，第三管183具有空間以儲存工作流體18。
在動力沖程過程中，工作流體18停止流動。例如，流動選擇閥165連通真空管和回流管193，以對熱力發(fā)動機缸腔34注入工作流體18。當工作流體18流經流動選擇閥165時，工作流體從第三管183中吸出，直到注滿熱力發(fā)動機缸腔34，并且這個過程再次開始。
如上所述，熱交換器180可以作為冷凝器，同時加熱池水，并冷卻第一管181中的高壓制冷劑和第三管中的氣態(tài)工作流體18。因此，不需要使用常規(guī)的冷凝器。但是，必須使用蒸發(fā)器190和熱發(fā)生器15分別實現蒸汽壓縮循環(huán)和朗肯循環(huán)。例如，在制冷劑成為氣態(tài)后通過低壓氣管191返回壓縮機40之前，處于液態(tài)的高壓制冷劑從熱交換器180排出，并被導入蒸發(fā)器190。此外，蒸發(fā)器190利用風扇194吹動加熱后的空氣而進行局部加熱，該空氣是通吸收過來自三管式熱交換器180的多余熱量而被加熱的。另外，工作流體18處于液態(tài)從熱交換器180中流出，并通過液體出口管192被導入冷凝泵141中。最后，冷凝泵141將工作流體18泵取到熱力發(fā)動機15中，使得工作流體18變成氣態(tài)返回熱力發(fā)動機部件26中。
因此顯而易見，本文所公開的熱泵系統實現了本發(fā)明的一個或多個上述目的，并且相對現有技術實現了其有益效果。本領域技術人員應當認識到對優(yōu)選實施方式的各種改變可以在不背離本發(fā)明的精神和范圍下做出，本發(fā)明的保護范圍僅由所附的權利要求的范圍限定。
權利要求
1.一種熱泵系統，包括熱發(fā)生器；熱力發(fā)動機，由所述熱發(fā)生器為其提供熱力發(fā)動機工作流體，并具有熱力發(fā)動機缸腔、熱力發(fā)動機活塞和熱力發(fā)動機活塞桿；預熱腔，使用所述熱力發(fā)動機工作流加熱所述熱力發(fā)動機缸腔；冷凝泵，向所述熱力發(fā)動機提供所述熱力發(fā)動機工作流體；壓縮機，由所述熱力發(fā)動機使用壓縮機工作流體驅動，并具有壓縮機缸腔、壓縮機活塞和壓縮機活塞桿；分隔器，將所述熱力發(fā)動機活塞桿和所述壓縮機活塞桿隔離和接合；密封組件，聯合所述分隔器將所述熱力發(fā)動機工作流體和所述壓縮機工作流體隔離；閥門組件，與所述熱力發(fā)動機缸腔相連通，并用于控制所述熱力發(fā)動機工作流體進、出所述熱力發(fā)動機。
2.如權利要求1所述的熱泵系統，進一步包括渦輪助動器，用以提高所述熱力發(fā)動機的效率。
3.如權利要求2所述的熱泵系統，其中，所述渦輪助動器通過熱力發(fā)動機的排出提供動力，并操作以減少所述熱力發(fā)動機活塞上的反向壓力。
4.如權利要求1所述的熱泵系統，其中，所述預熱腔是包圍所述熱力發(fā)動機缸腔的環(huán)形腔。
5.如權利要求1所述的熱泵系統，其中，所述密封組件包括一對在其間設有加壓液體的滾動隔膜。
6.如權利要求5所述的熱泵系統，其中，所述加壓液體是水。
7.如權利要求1所述的熱泵系統，其中，所述熱力發(fā)動機缸腔和所述壓縮機缸腔由陶瓷材料構造。
8.如權利要求1所述的熱泵系統，其中，所述冷凝泵將所述熱力發(fā)動機工作流體從冷凝器傳輸到所述熱力發(fā)動機。
9.如權利要求8所述的熱泵系統，其中，所述冷凝泵具有機架，所述機架具有用于容納泵活塞的圓筒形腔，所述泵活塞通過驅動軸與所述熱力發(fā)動機活塞相連接，所述冷凝泵還具有與形成于所述圓筒形腔的下部的泵腔相連通的輸入和輸出管。
10.如權利要求9所述的熱泵系統，其中，所述冷凝泵由所述熱力發(fā)動機驅動，以使所述泵活塞在所述圓桶形腔內往復運動，并使所述熱力發(fā)動機工作流體經過所述泵腔在所述冷凝器和所述熱發(fā)生器之間傳遞。
11.如權利要求8所述的熱泵系統，其中，所述冷凝泵具有冷卻腔，并且隨著所述泵活塞在所述圓筒形腔內往復運動，從所述冷卻腔吸入和吸出冷卻液。
12.如權利要求11所述的熱泵系統，其中，所述冷卻腔由所述圓筒形腔的上部、所述驅動軸、所述泵活塞的上表面和陶瓷封條形成，所述陶瓷封條設置在所述圓筒形腔的所述上部，其大小能夠與所述驅動桿密封地接合。
13.如權利要求1所述的熱泵系統，進一步包括用于接收來自所述熱泵系統的熱量的熱交換器。
14.如權利要求13所述的熱泵系統，其中，所述熱交換器容納所述壓縮機工作流體。
15.如權利要求13所述的熱泵系統，其中，所述熱交換器是容納所述壓縮機工作流體、所述熱力發(fā)動機工作流體以及待加熱流體的三管式熱交換器。
16.如權利要求15所述的熱泵系統，其中，所述待加熱流體是來自熱水器和貯水池中的至少一個的可選擇的水。
17.一種熱泵系統，包括用于加熱工作流體的熱發(fā)生器、具有機架的熱力發(fā)動機、位于所述機架內的缸壁、位于所述機架和所述缸壁之間的預熱腔、以及連接所述熱力發(fā)動機和所述預熱腔的管，從而使得在所述熱力發(fā)動機開始工作前，由所述熱發(fā)生器供給到所述預熱腔的工作流體對所述缸壁進行加熱。
18.如權利要求17所述的熱泵系統，其中，所述預熱腔是所述機架和所述缸壁之間的環(huán)形空間。
19.如權利要求17所述的熱泵系統，其中，所述缸壁容有活塞并由導熱陶瓷材料構成，從而使所述缸壁中的熱量傳輸到所述活塞。
20.如權利要求17所述的熱泵系統，其中，所述機架高于所述熱發(fā)生器，從而使所述工作流體在所述預熱腔中形成的任何冷凝物都能夠通過所述管回流到所述加熱腔。
21.一種熱泵系統，包括熱力發(fā)動機，對熱力發(fā)動機工作流體進行操作，并具有熱力發(fā)動機缸腔、熱力發(fā)動機活塞和熱力發(fā)動機活塞桿；壓縮機，對壓縮機工作流體進行操作，并具有壓縮機缸腔、壓縮機活塞和壓縮機活塞桿；分隔器，對所述熱力發(fā)動機活塞桿和所述壓縮機活塞桿進行隔離和接合；密封組件，使所述熱力發(fā)動機工作流體和所述壓縮機工作流體保持隔離。
22.如權利要求21所述的熱泵系統，其中，所述密封組件包括一對在其間設有加壓液體的滾動隔膜。
23.如權利要求22所述的熱泵系統，其中，所述加壓液體被選擇成能阻止所述工作流體的成分在它們之間進行遷移。
24.如權利要求22所述的熱泵系統，其中，所述加壓液體是水。
25.如權利要求22所述的熱泵系統，其中，所述滾動隔膜具有通過環(huán)形插入件隔離的凸緣折邊，所述環(huán)形插入件具有用于控制所述加壓液體的出現和壓力的填充管。
26.一種熱泵系統，包括熱力發(fā)動機，具有熱力發(fā)動機缸腔，和能夠在所述熱力發(fā)動機缸腔內移動的熱力發(fā)動機活塞；閥門組件，具有閥桿和位于所述閥桿上的進口控制活塞，所述進口控制活塞可移動，以將所述熱力發(fā)動機缸腔選擇性地連接到所述熱力發(fā)動機活塞的帶有高溫加壓工作流體源的一側，用于所述熱力發(fā)動機活塞的動力沖程，或在所述熱力發(fā)動機活塞的排出沖程過程中連接到所述熱力發(fā)動機活塞的帶有熱力發(fā)動機排出管的一側，所述閥門組件還具有位于所述閥桿上的導向活塞，用以移動所述進口控制活塞從而開始所述熱力發(fā)動機活塞的排出沖程。
27.如權利要求26所述的熱泵系統，其中，所述閥門組件具有與所述閥桿相接合的流控制門，所述流控制門在所述熱力發(fā)動機活塞的排出沖程過程中延伸至熱力發(fā)動機缸腔內，并在所述熱力發(fā)動機活塞的動力沖程過程中從熱力發(fā)動機缸腔內收回。
28.如權利要求27所述的熱泵系統，其中，所述流動控制門與所述熱力發(fā)動機活塞接合，并在排出沖程的末端收回，以將進口控制活塞設置到動力沖程位置。
29.如權利要求28所述的熱泵系統，其中，當所述進口控制活塞位于排出沖程位置時，所述導向活塞磁性地被保持，直到所述熱力發(fā)動機活塞與所述流控制門接合，并移動所述閥桿。
30.如權利要求29所述的熱泵系統，其中，當所述熱力發(fā)動機活塞克服了所述磁性保持力時，作用于所述導向活塞的彈簧減緩其移動。
31.如權利要求30所述的熱泵系統，其中，所述導向活塞承載的緩沖塊對處于動力沖程位置的所述導向活塞的到達進行緩沖。
32.如權利要求26所述的熱泵系統，其中，緩沖器緩沖處于排出沖程位置的所述導向閥的到達。
33.如權利要求26所述的熱泵系統，其中，在動力沖程結束時所述熱力發(fā)動機缸腔的端口與所述導向活塞相連通，并且所述導向活塞的表面積比所述流控制門的表面積大，從而使所述熱力發(fā)動機缸腔內的排出壓力將所述流控制門和所述進口控制活塞移動到排出沖程位置。
34.如權利要求26所述的熱泵系統，進一步包括壓縮機，所述壓縮機具有與所述熱力發(fā)動機活塞相連接的壓縮機活塞，在所述熱力發(fā)動機活塞的排出沖程過程中所述壓縮機活塞驅動所述熱力發(fā)動機活基。
35.如權利要求26所述的熱泵系統，其中，鎖定管將所述熱力發(fā)動機缸腔和所述導向活塞連接，以在排出沖程過程中使所述導向活塞保持在排出沖程位置。
36.一種熱泵系統，包括，熱力發(fā)動機，具有熱力發(fā)動機缸腔，和能夠在所述熱力發(fā)動機缸腔中移動的熱力發(fā)動機活塞；渦輪助動器，由來自所述熱力發(fā)動機活塞的高壓側的排出驅動；真空罐，被所述渦輪助動器抽空；發(fā)動機冷凝器；以及流控制閥，在所述熱力發(fā)動機活塞的動力沖程過程中，所述流控制閥使所述熱力發(fā)動機活塞的低壓側與所述真空罐連通，并在所述熱力發(fā)動機活塞的排出沖程過程中，所述流控制閥使所述熱力發(fā)動機的低壓側與所述冷凝器連通，從而在所述熱力發(fā)動機活塞的動力沖程過程中降低所述熱力發(fā)動機活塞的反向壓力，并在所述熱力發(fā)動機活塞的排出沖程過程中均衡所述熱力發(fā)動機活塞的反向壓力。
37.如權利要求36所述的熱泵系統，其中，所述渦輪助動器包括渦輪機葉輪，所述渦輪機葉輪由來自所述熱力發(fā)動機活塞的高壓側的排出進行驅動。
38.如權利要求37所述的熱泵系統，其中，所述渦輪助動器包括由所述渦輪機葉輪驅動的泵，所述泵具有與所述真空罐相連的輸入管，和與所述發(fā)動機冷凝器相連的輸出管，從而在所述真空罐內保持降低的壓力。
39.如權利要求36所述的熱泵系統，其中，所述流控制閥由閥門組件驅動控制工作流體進、出所述熱力發(fā)動機缸腔。
40.一種冷凝泵，包括機架，具有圓筒形空腔；泵活塞，設置在所述圓筒形空腔內；驅動桿，與所述泵活塞接合；輸入管和輸出管，與形成于所述圓筒形空腔下部的泵腔相連通；以及冷卻腔，由所述圓筒形空腔的上部、所述驅動桿、所述泵活塞的上表面、和所述圓筒形空腔的所述上部中的陶瓷封條形成，其大小設置成與所述驅動桿緊密結合。
41.如權利要求40所述的冷凝泵，其中，所述泵活塞在所述圓筒形空腔內往復運動，從而將工作流體從冷凝器通過所述泵腔傳輸到熱發(fā)生器中。
42.如權利要求40所述的冷凝泵，其中，隨著所述泵活塞在所述圓筒形空腔內進行往復運動，冷卻液被吸入和抽出所述冷卻腔。
43.一種熱泵系統，包括熱發(fā)生器；熱力發(fā)動機，具有熱力發(fā)動機活塞桿，并由所述熱發(fā)生器供應熱力發(fā)動機工作流體；壓縮機，具有壓縮機活塞桿，所述壓縮機活塞桿由所述熱力發(fā)動機使用壓縮機工作流體驅動；分隔器，隔離和接合所述熱力發(fā)動機活塞桿和所述壓縮機活塞桿；密封組件，聯合所述分隔器將所述熱力發(fā)動機工作流體和所述壓縮機工作流體隔離；熱交換器，與貯液器相連，從而將所述熱力發(fā)動機工作流體和所述壓縮機工作流體導入所述熱交換器中。
44.如權利要求43所述的熱泵系統，其中，所述貯液器是從熱水器和蓄水池中選擇出的至少一個，并且所述熱交換器是接收所述熱力發(fā)動機工作流體、所述壓縮機工作流體和來自所述貯液器中的流體的三管式熱交換器。
全文摘要
一種熱泵系統(10)，包括熱發(fā)生器(15)；熱力發(fā)動機(26)，由所述熱發(fā)生器(15)對其提供熱力發(fā)動機工作流體(18)，并具有熱力發(fā)動機缸腔(34)、熱力發(fā)動機活塞(32)、和熱力發(fā)動機活塞桿(35)；預熱腔(31)，使用所述熱力發(fā)動機工作流(18)加熱所述熱力發(fā)動機缸腔(34)；壓縮機(40)，由所述熱力發(fā)動機(26)使用壓縮機工作流體驅動，并具有壓縮機缸腔(46)、壓縮機活塞(44)、和壓縮機活塞桿(47)；分隔器(50)，隔離和接合所述熱力發(fā)動機活塞桿(35)和所述壓縮機活塞桿(47)；密封組件(38)，聯合所述分隔器(50)對所述熱力發(fā)動機工作流體(18)和所述壓縮機工作流體進行隔離；閥門組件(60)，與所述熱力發(fā)動機缸腔(34)相連通，并用于控制所述熱力發(fā)動機工作流體(18)進出所述熱力發(fā)動機(26)。
文檔編號F25B27/00GK1798945SQ200480014934
公開日2006年7月5日 申請日期2004年5月25日 優(yōu)先權日2003年5月29日
發(fā)明者佛瑞德·D·所羅門 申請人:佛瑞德·D·所羅門