CN102365499A - 余热空调系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供从余热源中提供空调的方法和装置。设置蒸发状态膨胀器来产生机械功，并且压缩单元响应于蒸发状态膨胀器的机械功输出至少部分地进行操作。在另一示范性实施例中，还设置产生机械功的第二液态膨胀器，压缩单元进一步响应于液态膨胀器的机械功而操作。当余热源不充分时，所公开的装置还能够从附加的功率源中提供后援的加热和冷却。

Description

余热空调系统
相关申请的交互参照
本申请要求享有2009年4月1日提交的美国临时专利申请S/N 61/165,533的优先权，本文援引其全部内容作为参考。
技术领域
本发明总的涉及空调领域，具体地说，涉及从余热中提供空调的系统和方法，其较佳地利用液相膨胀器和气相膨胀器的组合。
背景技术
许多工业过程产生低温的余热，该温度通常低于150℃，通常过低而无法用来完成有效作业。诸如吸热制冷的某些热力学循环可从低等级热源中提供环境的冷却。同样地，诸如集中型或排空管型的太阳能收集器中接收到的太阳热能通常是属于余热级的，并且已经被应用在吸收冷却器中以提供环境的冷却。遗憾的是，通常使用的吸收制冷循环蒙受效率低下的缺点，通常不能达到大于约0.7的热性能系数(COP)，这里，术语COP被定义为ΔQcold/ΔQin，其中，ΔQcold定义为载荷热变化，而ΔQin定义为冷却系统消耗的热量。在蒸发压缩空调中，COP定义为ΔQcold/ΔW，并且通常在3-3.5的量级，其中，ΔQcold如上定义，而ΔW定义为冷却系统消耗的电功。此外，目前行业态的余热驱动A/C系统，诸如使用吸收制冷循环的吸收冷却器，在没有足够余热的情况下，该种系统不能够运行，因此，需要完全附加的系统作支持。
2003年6月24日授予Benson的美国专利6,581,384，致力于利用余热来对可重新配置的热力学循环提供动力的过程和装置，该热力学循环可用来有选择地冷却或加热环境受控的空间，诸如房间或建筑物。缺点在于，Benson的系统特别地需要五通阀，这增加了成本和复杂性。此外，Benson的系统显现总体COP低，在没有残留功率上的余热的情况下，该系统不能够运行，且在约为200℃(400℉)的温度下运行，这增加了成本。
所需要的是一种从余热中提供空调的方法和系统，其表现出提高的总体性能系数，并在余热源不可获得时，较佳地具有进一步提供支持的加热和冷却的能力。
发明内容
鉴于以上提供的讨论和其它考虑，本发明提供克服现有技术和目前从余热中提供空调的方法中的一些或全部缺点的方法和装置。本文还将描述本发明方法和装置的其它新的和有用优点，并可被本技术领域内技术人员所认识。
在一个示范性实施例中，提供蒸发状态膨胀器来产生机械功，并且压缩单元响应于蒸发状态膨胀器的机械功输出至少部分地进行操作。在另一示范性实施例中，进一步提供产生机械功的第二液态膨胀器，压缩单元还响应于液态膨胀器的机械功进行操作。
在一个示范性实施例中，提供可操作以提供空调的装置，包括：控制元件；第一热交换器；第一膨胀器，布置成响应于处在过热蒸发状态的制冷剂而产生机械功，该第一膨胀器连接到第一热交换器的输出；压缩机单元，至少部分地响应于第一膨胀器产生的机械功而被驱动；冷凝器；以及蒸发器，其中，在余热冷却模式中，控制元件布置成：将第一膨胀器的输出馈送到冷凝器；将冷凝器的输出的第一部分馈送到第一热交换器；将冷凝器的输出的第二膨胀部分馈送到蒸发器；将蒸发器的输出馈送到压缩机单元；以及将压缩机单元的输出馈送到冷凝器的输入。
在另一实施例中，压缩机单元包括响应于第一膨胀器产生的机械功的压缩机，以及附加的功率驱动的压缩机，其中，在附加功率源支持的余热冷却模式中，控制元件布置成：响应于第一膨胀器产生的机械功，将蒸发器的输出的第一部分馈送到压缩机；以及将蒸发器的输出的第二部分馈送到附加的功率驱动的压缩机。在另一个实施例中，装置附加地包括：第二热交换器，布置成加热流过其中的制冷剂；以及第二膨胀器，该第二膨胀器布置成响应于液态的制冷剂而产生机械功，压缩机单元还至少部分地响应于第二膨胀器产生的机械功而被驱动；其中，在组合态的双余热冷却模式中，控制元件布置成：将冷凝器的输出馈送到第二热交换器；将冷凝器的输出的第一部分从第二热交换器的输出馈送到第一热交换器；将冷凝器的输出的第二部分从液态的第二热交换器的输出馈送到第二膨胀器；以及将第二膨胀器的输出馈送到蒸发器的输入，由此将第二膨胀部分馈送到蒸发器。
在另一实施例中，在组合态的双余热冷却模式中，第一膨胀器的输出的压力与压缩机单元的输出的压力相一致。在还有另一实施例中，第一热交换器和第二热交换器布置成从单一余热源传递热量。在还有另一实施例中，余热源是太阳能收集器。
在还有一实施例中，该装置附加地包括响应于控制元件的泵，其中，在组合态的双余热冷却模式中，控制元件布置成通过泵驱动制冷剂进入到第二热交换器内。在还有另一实施例中，该装置附加地包括响应于控制元件的泵，其中，在余热驱动加热模式中，控制元件布置成：通过泵驱动制冷剂进入到第二热交换器内；将离开第二热交换器的制冷剂馈送到第一热交换器；以及将蒸发器的输出馈送到泵的输入。
在另一实施例中，该装置附加地包括：第二热交换器，布置成冷却流过其中的制冷剂；以及第二膨胀器，该第二膨胀器布置成响应于液态的制冷剂而产生机械功，压缩机单元还至少部分地响应于第二膨胀器产生的机械功而被驱动；第二膨胀器连接到第二热交换器的输出；其中，在组合态的余热冷却模式中，控制元件布置成：将冷凝器的输出的第二部分馈送到第二热交换器；以及将第二膨胀器的输出馈送到蒸发器的输入，由此，将第二膨胀部分馈送到蒸发器。
在还有另一实施例中，在组合态的余热冷却模式中，第一膨胀器的输出的压力与压缩机单元的输出的压力相一致。在还有另一实施例中，第一热交换器布置成从太阳能收集器传递热量。在还有另一实施例中，该装置附加地包括响应于控制元件的泵，以及其中，在余热驱动加热模式中，控制元件布置成：通过泵将蒸发器的输出馈送到第一热交换器；以及将第一膨胀器的输出馈送到蒸发器的输入。
在另一实施例中，该装置附加地包括膨胀阀，其中，在附加的功率驱动冷却模式中，控制元件布置成：将蒸发器的输出馈送到压缩机单元的输入；将压缩机单元的输出馈送到冷凝器的输入；以及通过膨胀阀将冷凝器的输出馈送到蒸发器。在还有另一实施例中，该装置附加地包括膨胀阀，其中，在附加的功率驱动加热模式中，控制元件布置成：将冷凝器的输出馈送到压缩机单元的输入；将第二压缩机的输出馈送到蒸发器的输入；以及通过膨胀阀将蒸发器的输出馈送到冷凝器的输入。
独立地，实施例还提供一种提供空调的方法，包括余热冷却模式，蒸发态余热冷却模式包括：提供制冷剂；将提供的制冷剂的第一部分加热到蒸发状态；膨胀蒸发状态加热的提供的制冷剂的第一部分以产生第一机械功；蒸发提供的制冷剂的第二部分以产生冷却；至少部分地响应于产生的第一机械功，压缩提供的制冷剂的第二部分；以及将压缩的第二部分和膨胀的第一部分冷凝到液态。
在另一实施例中，压缩附加地响应于附加的功率源。在还有另一实施例中，膨胀提供的制冷剂的蒸发状态加热的第一部分，是与压缩的蒸发的第二部分的压力相一致的压力。
在另一实施例中，该方法附加地包括：对冷凝的液态制冷剂加压。在还有另一实施例中，余热冷却模式由组合态的双余热冷却模式构成，组合态的双余热冷却模式还包括：加热提供的制冷剂的第二部分，同时保持提供的制冷剂处于液态；以及膨胀液态的加热的第二部分以产生第二机械功，其中，该压缩还响应于产生的第二机械功，其中，蒸发是属于膨胀的加热的第二部分。
在还有另一实施例中，第一部分的加热和第二部分的加热都是响应于单一余热源。在还有另一实施例中，该余热源是太阳能收集器。
在另一实施例中，余热冷却模式由组合态的余热冷却模式构成，组合态的余热冷却模式还包括：冷却提供的制冷剂的第二部分；以及膨胀冷却的第二部分以产生第二机械功，其中，该压缩还响应于产生的第二机械功，其中，膨胀是属于膨胀的冷却的第二部分。在还有另一实施例中，该方法附加地包括余热驱动加热模式，该余热驱动加热模式包括：将提供的制冷剂加热到蒸发状态；膨胀蒸发状态的制冷剂；以及冷凝膨胀的蒸发状态的制冷剂，由此提供加热。
在还有另一实施例中，该方法附加地包括附加的功率驱动冷却模式，该附加的功率驱动冷却模式包括：响应于附加的功率源压缩蒸发状态的提供的制冷剂；将压缩的蒸发状态的制冷剂冷凝到液态；膨胀液态的制冷剂；以及将膨胀的制冷剂蒸发到蒸发状态，由此提供冷却。在还有另一实施例中，该方法附加地包括附加的功率驱动加热模式，该附加的功率驱动加热模式包括：响应于附加的功率源压缩蒸发状态的提供的制冷剂；将压缩的蒸发状态的提供的制冷剂冷凝到液态，由此提供加热；膨胀液态的提供的制冷剂；以及将膨胀的液态的提供的制冷剂蒸发到蒸发态。
从以下附图和描述中，本发明其它附加特征和优点将变得清楚。
附图说明
为了更好地理解本发明和显示如何实现本发明，现将参照附图，这样做纯粹是举例而已，在全部附图中相同的附图标记表示全文中对应的元件或部分。
现在特别详细地参照诸附图，要强调指出的是，所示细节只是举例而已，其目的仅是说明性地讨论本发明的优选实施例，是为了提供所谓对本发明原理和概念方面最有用和容易理解的描述才给出这些细节。在这一点上，并不企图显示比基本上理解本发明所必须的更加详细的本发明结构细节，参照附图所进行的描述使得本技术领域内的技术人员明白，如何在实践中实施本发明的几种形式。在附图中：
图1A示出装置的示范性实施例的高级方框图，该装置布置成提供组合态双余热驱动冷却循环，包括气相膨胀器和液相膨胀器；
图1B示出用于图1A的余热驱动冷却循环的压力焓曲线图中的热力学过程；
图2A示出装置的第二示范性实施例的高级方框图，该装置布置成提供组合态余热驱动冷却循环，该循环包括气相膨胀器、液相膨胀器以及过冷热交换器；
图2B示出用于图2A的余热驱动冷却循环的压力焓曲线图中的热力学过程；
图3A示出图1A装置的示范性实施例的高级方框图，该装置布置成进一步提供家用热水加热；
图3B示出图2A装置的示范性实施例的高级方框图，该装置布置成进一步提供家用热水加热；
图4A示出图1A装置的示范性实施例的高级方框图，该装置布置成提供余热驱动加热循环；
图4B示出用于图4A的余热驱动加热循环的压力焓曲线图中的热力学过程；
图5示出图2A装置的示范性实施例的高级方框图，该装置还布置成提供余热驱动加热循环；
图6示出图1A装置的示范性实施例的高级方框图，该装置还布置成提供附加的功率驱动冷却循环；
图7示出图1A装置的示范性实施例的高级方框图，该装置还布置成提供附加的功率驱动加热循环；
图8A示出图2A装置的示范性实施例的高级方框图，该装置仅使用一个气相膨胀器；以及
图8B示出用于图8A的余热驱动冷却循环的压力焓曲线图中的热力学过程。
具体实施方式
在详细解释至少一个实施例之前，应该理解到，本发明的应用不局限于以下描述中所阐述或附图中所图示的部件的构造和布置细节。本发明适用于其它的实施例，或以各种方式实践或实现。还有，应该理解到，本文中所用的用语和术语是用于描述之目的，不应认为有限制意义。具体来说，如本文所用的术语“连接”并不意味着局限于直接的连接，而是毫无限制地允许有中间的装置或部件。为简化起见，三通阀、四通阀和五通阀都被显示为单个元件，但在不超范围的情况下可包括多个协作的阀。
图1A示出装置的第一示范性实施例的高级方框图，该装置布置成提供组合态的双余热驱动空调循环，该装置包括：控制元件100；余热源110，不加限制地图示为太阳能收集器；第一泵120；第二泵125；第一热交换器130；第二热交换器140；第一、第二和第三三通阀150；第一膨胀器160；第二膨胀器170；驱动构件180；膨胀阀190；蒸发器200；第一和第二四通阀210；第一压缩机220；第二压缩机230；附加电源240；以及冷凝器250。第一压缩机220和第二压缩机230一起形成压缩机单元235。第一泵120布置成：通过余热源110和连接在闭环中的各个第一和第二热交换器130和140的热源管道，驱动工作传热流体，在一个非限制性实施例中，该传热流体由水和乙二醇混合物构成。较佳地，第一和第二热交换器130和140的热源管道串联地连接，然而，串联连接不需要是直接和附加的旁路管道连接，在不超范围的情况下还可设置阀。
控制元件100的相应输出连接到各个第一、第二和第三三通阀150的控制输入，连接到各个第一和第二四通阀210的控制输入，连接到附加电源240的控制输入，连接到第一泵120的控制输入，以及连接到第二泵125的控制输入。控制元件100还布置成从各种温度和压力传感器(未示出)接收输入，这些传感器为本领域内的技术人员所公知。第二泵125的输出连接到第一热交换器130的热接收管道的第一端，而第一热交换器130的热接收管道的第二端连接到第一三通阀150的第一分头(tap)上。第一三通阀150的第二分头连接到第二热交换器140的热接收管道的第一端，而第二热交换器140的热接收管道的第二端连接到第一膨胀器160的输入。第一三通阀150的第三分头连接到第二膨胀器170的输入，而第二膨胀器170的输出连接到蒸发器200的输入。第一膨胀器160的输出连接到第二三通阀150的第一分头，第二三通阀150的第二分头连接到第二四通阀210的第一分头，而第二三通阀150的第三分头连接到蒸发器200的输入，与蒸发器200的输入的连接用虚线图示，因为它未被用于图1A的余热驱动冷却循环中。
第一膨胀器160和第二膨胀器170图示为享用带有第一压缩机220的驱动构件180，然而，这并不意味着任何方式的限制，在另一个实施例中，如有关图2A的进一步所述，第一膨胀器160和第二膨胀器170各与压缩单元235的特定压缩机相连，该特定压缩机响应于相应膨胀器输出的机械功而操作。蒸发器200的输出连接到第一四通阀210的第一分头，第一四通阀210的第二分头连接到第一压缩机220的输入，第一四通阀210的第三分头连接到第二压缩机230的输入，第一四通阀210的第四分头连接到第二泵125的输入，与第二泵125输入的连接用虚线图示，因为它未被用于图1A的余热驱动冷却循环中。附加电源240的输出连接到第二压缩机230的电源输入。第二压缩机230的输出连接到第二四通阀210的第二分头，第一压缩机220的输出连接到第二四通阀210的第三分头，而冷凝器250的输入连接到第二四通阀210的第四分头。冷凝器250的输出连接到第三三通阀150的第一分头，第二泵125的输入连接到第三三通阀150的第二分头，而第三三通阀150的第三分头连接到膨胀阀190的输入，与膨胀阀190的输入的连接用虚线图示，因为它未被用于图1A的余热驱动冷却循环中。膨胀阀190的输出连接到蒸发器200的输入，与蒸发器200的输入的连接用虚线图示，因为它未被用于图1A的余热驱动冷却循环中。在一个实施例中，第一和第二四通阀210由相应的控制集管实施。
图1B示出用于图1A的余热驱动冷却循环的压力焓曲线图，其中，x轴代表焓，y轴代表压力。区域900代表用于制冷剂的湿蒸发区域。
在操作中，参照图1A和1B，来自余热源110的加热流体被第一泵120强制通过各个第一热交换器130和第二热交换器140的热源管道。加压的液体制冷剂在一个非限制性实施例中是R-134a，且在一个非限制性实施例中在3-4MPa压力下加压，该加压的液体制冷剂通过第二泵125被强制进入第一热交换器130的热接收管道内，并如图所示地在过程1000中被加热。第二泵125的运行参数受控制元件100控制，使得流出第一热交换器130的热接收管道的加压液体制冷剂被保持在过冷的液态中。在一个非限制性实施例中，加压的液体制冷剂被加热到50-75℃的温度，同时通过第一热交换器130的热接收管道。具体来说，控制元件100进行操作来控制第一泵120，以使第一热交换器130的热源侧的温度保持在预定范围内，因此限定流出第一热交换器130的热接收管道的加压的液体制冷剂的温度。
控制元件100还进一步操作来控制第一三通阀150，以便将流出第一热交换器130的热接收管道的过冷的液体制冷剂的一部分传送到第二膨胀器170的输入，剩下的过冷的液体制冷剂通到第二热交换器140的热接收管道。
第二膨胀器170可以被实施为单或双螺杆膨胀器、滚轴、转动式叶轮或往复式机器，该第二膨胀器170进行操作以膨胀过冷的液体制冷剂，并且赋予驱动构件180以旋转力，降低过程1010中所示的制冷剂的压力和温度。在一个实施例中，第二膨胀器170进行操作而将一部分过冷的液体制冷剂转换到气态。第二膨胀器170的输出馈送到蒸发器200，如过程1020所示，该输出在蒸发器内完全蒸发，对周围的空间提供冷却。因此，第二膨胀器170作为液相膨胀器进行操作，其布置成赋予驱动构件180以作为机械功输出的旋转力。
蒸发器200的输出被第一四通阀210分流，蒸发器200输出的第一部分被馈送到第一压缩机220的输入，蒸发器200的输出的第二部分被馈送到第二压缩机230的输入。响应于从驱动构件180获得的功率，馈送到第一压缩机220的第一部分与馈送到第二压缩机230的第二部分的比例由控制元件100确定。第一和第二压缩机220和230进行操作，以将分别如过程1030和1030A所示的从蒸发器200中接收的膨胀的蒸汽制冷剂压缩到略微过热的蒸发状态，在一个非限制性实施例中，略微过热的蒸发状态是40-55℃的温度。
过冷的液体制冷剂通过第二热交换器140的热接收管道的部分，如过程1040所示，在第二热交换器140内被进一步加热为超热蒸发状态。在一个实施例中，制冷剂在第二热交换器140的热接收管道内被加热到85-115℃的温度。从第二热交换器140的热接收管道离开的过热蒸发态制冷剂被馈送到第一膨胀器160，该第一膨胀器160可无限制地实施为燃气涡轮或滚轴或螺杆式膨胀器，并且进行操作以膨胀制冷剂，由此，如过程1050所示，降低制冷剂的压力和温度，同时将制冷剂保持在略微过热状态，并将制冷剂压力下降到与上述第一和第二压缩机220和230的输出相一致的压力。第一膨胀器160进一步操作以产生机械功，特别是对驱动构件180赋予旋转力。因此，第一膨胀器160作为气相膨胀器进行操作，该气相膨胀器布置成响应于蒸发输入(最好是过热蒸发输入)而对驱动构件180赋予作为功输出的旋转力。第一膨胀器160和第二膨胀器170的操作受控制元件100控制。在一个实施例中，控制元件100接收指示各个第一和第二膨胀器160和170转速的输入。在一个实施例中，在第一和第二膨胀器160和170的输入处设置集成的控制阀，集成的控制阀响应于控制元件100而操作，以调节进入第一和第二膨胀器160和170的制冷剂流量。在另一实施例中，通过调整一个或多个第一和第二三通阀150的设置，使控制元件100进行操作以控制第一膨胀器160，从而将制冷剂保持在略微过热状态，并将制冷剂压力下降到与第一和第二压缩机220和230的输出相一致的压力。
第二四通阀210进行操作以接收通过第二三通阀150的第一和第二压缩机220和230的输出以及第一膨胀器160的输出，如上所述，它们处于相协调的压力下，将诸流混合成显现统一温度和压力的组合蒸汽，如过程1060所示，并将蒸汽形式的组合制冷剂馈送到冷凝器250的输入。冷凝器250最好与环境空气或其它冷却源协作，该冷凝器250进行操作以将接收到的组合制冷剂冷凝到液态，如过程1070所示。离开冷凝器250的液态制冷剂通过第三三通阀150传送到第二泵125，并被泵送到如过程1080所示的增加的压力，因此，完成了该循环。如上所述，在一个非限制性实施例中，第二泵125进行操作以将液体制冷剂的压力提高到3-4Mpa的压力。
应该指出的是，较佳地，第一膨胀器160因此对达到蒸汽状态的制冷剂进行操作，而第二膨胀器170因此对达到液态的制冷剂进行操作。计算出组合物的热COP大于0.7，COP按下式计算：
COP＝Qevaporator/(Qheat_source)                    公式1
而计算出电COP大于8，COP按下式计算：
COP＝Qevaporator/ΔW                               公式2
图2A示出装置的第二示范性实施例的高级方框图，该装置布置成提供组合态的余热驱动空调循环，该装置包括：控制元件100；余热源110，不加限制地图示为太阳能收集器；第一泵120；第二泵125；热交换器140；第一、第二和第三三通阀150；第一膨胀器160；第二膨胀器170；第一驱动构件180A和第二驱动构件180B；膨胀阀190；蒸发器200；第一和第二五通阀215；第一膨胀器驱动压缩机220A和第二膨胀器驱动压缩机220B；压缩机230；附加电源240；冷凝器250；以及过冷热交换器280。第一膨胀器驱动压缩机220A、第二膨胀器驱动压缩机220B和压缩机230一起形成压缩机单元235。第一泵120布置成：通过余热源110和热交换器140的热源管道驱动工作传热流体，在一个非限制性实施例中，该传热流体由水和乙二醇混合物构成。
控制元件100的相应输出连接到各个第一、第二和第三三通阀150的控制输入，连接到各个第一和第二五通阀215的控制输入，连接到附加电源240的控制输入，连接到第一泵120的控制输入，以及连接到第二泵125的控制输入。控制元件100还布置成从各种温度和压力传感器(未示出)接收输入，这些传感器为本领域内的技术人员所公知。第二泵125的输出连接到第一三通阀150的第一分头。第一三通阀150的第二分头连接到热交换器140的热接收管道的第一端，而热交换器140的热接收管道的第二端连接到第一膨胀器160的输入。第一三通阀150的第三分头连接到过冷热交换器280的输入。过冷热交换器280的输出连接到第二膨胀器170的输入，而第二膨胀器170的输出连接到蒸发器200的输入。第一膨胀器160的输出连接到第二三通阀150的第一分头，第二三通阀150的第二分头连接到第二五通阀215的第一分头，而第二三通阀150的第三分头连接到蒸发器200的输入，与蒸发器200的输入的连接用虚线图示，因为它未被用于图2A的余热驱动冷却循环中。
蒸发器200的输出连接到第一五通阀215的第一分头，第一五通阀215的第二分头连接到第一膨胀器驱动压缩机220A的输入，第一五通阀215的第三分头连接到第二膨胀器驱动压缩机220B的输入，第一五通阀215的第四分头连接到压缩机230的输入，并且第一五通阀215的第五分头连接到第二泵125的输入，与第二泵125的输入的连接用虚线图示，因为它未被用于图2A的余热驱动冷却循环中。附加电源240的输出连接到压缩机230的功率输入。压缩机230的输出连接到第二五通阀215的第二分头，第一膨胀器驱动压缩机220A的输出连接到第二五通阀215的第三分头，第二膨胀器驱动压缩机220B的输出连接到第二五通阀215的第四分头，而冷凝器250的输入连接到第二五通阀215的第五分头，冷凝器250的输出连接到第三三通阀150的第一分头，第二泵125的输入连接到第三三通阀150的第二分头，第三三通阀150的第三分头连接到膨胀阀190的输入，与膨胀阀190的输入的连接用虚线图示，因为它未被用于图2A的余热驱动冷却循环中。膨胀阀190的输出连接到蒸发器200的输入，与蒸发器200的输入的连接用虚线图示，因为它未被用于图2A的余热驱动冷却循环中。在一个实施例中，第一和第二五通阀215由相应的控制集管实施。在一个实施例中，冷凝器250和过冷热交换器280(其较佳地是冷凝器)在单一单元内实施，因此两个元件仅需要一个风扇。
图2B示出用于图2A的余热驱动冷却循环的压力焓曲线图，其中，x轴代表焓，y轴代表压力。区域900代表用于制冷剂的湿蒸发区域。
在操作中，参照图2A和图2B，来自余热源110的加热流体被第一泵120强制通过热交换器140的热源管道。加压的液体制冷剂在一个非限制性实施例中是R-134a，且在一个非限制性实施例中在3-4MPa压力下加压，该加压的液体制冷剂通过第二泵125被强制进入第一三通阀150内。控制元件进行操作以控制第一三通阀150，从而使加压的液体制冷剂的一部分通入过冷热交换器280内，如过程1090所示，制冷剂在过冷热交换器280处被冷却，剩余的加压的液体制冷剂传送到热交换器140的热接收管道。离开过冷热交换器280的加压的液体制冷剂处于过冷液体状态，并进入第二膨胀器170。如上所述，过冷热交换器280最好与冷凝器250集成在一起以便共享单个风扇。进入过冷热交换器280的制冷剂较佳地显现40-55℃的温度，过冷热交换器280较佳地布置成将制冷剂流过其中的部分的温度降低到高于环境温度2-5℃的温度。
第二膨胀器170可实施为单或双螺杆膨胀器、滚轴、转动式叶轮或往复式机器，该第二膨胀器170进行操作以膨胀过冷的液体制冷剂，并且赋予第二驱动构件180B以旋转力，如过程1010所示，降低了制冷剂的压力和温度。在一个实施例中，第二膨胀器170进行操作以将过冷的液体制冷剂的一部分转换为蒸汽状态。第二膨胀器170的输出馈送到蒸发器200，如过程1020所示，制冷剂在蒸发器200处完全蒸发，为周围空间提供冷却。因此，第二膨胀器170作为液相膨胀器进行操作，其布置成对第二驱动构件180B赋予作为机械功的旋转力，驱动第二膨胀器驱动的压缩机220B。
蒸发器200的输出被第一五通阀215分流，而蒸发器200的一部分输出馈送到第一膨胀器驱动的压缩机220A的输入，蒸发器200输出的第二部分馈送到第二膨胀器驱动的压缩机220B的输入，并且蒸发器200输出的第三部分馈送到压缩机230的输入。响应于从各个第一驱动构件180A和第二驱动构件180B获得的功率，控制元件100确定各个部分的比例。第一膨胀器驱动的压缩机220A、第二膨胀器驱动的压缩机220B和压缩机230中的每一个进行操作，以将分别如过程1030和1030A所示的从蒸发器200中接收的膨胀的蒸汽制冷剂压缩到略微过热的蒸发状态，在一个非限制性实施例中，略微过热的蒸发状态是40-55℃的温度。较佳地，诸部分被进一步控制，使得离开各个第一膨胀器驱动的压缩机220A、第二膨胀器驱动的压缩机220B和压缩机230的蒸汽态制冷剂的压力互相一致。
如过程1040所示，液体制冷剂传送到热交换器140的热接收管道的部分在热交换器140内被加热到过热的蒸发状态。在一个非限制性实施例中，加压的液体制冷剂被加热到85-115℃，同时通过热交换器140的热接收管道。离开热交换器140的热接收管道的过热蒸汽态的制冷剂被馈送到第一膨胀器160，该第一膨胀器160可无限制地实施为燃气涡轮或滚轴或螺杆式膨胀器，并且进行操作以膨胀制冷剂，由此，如过程1050所示，降低制冷剂的压力和温度，同时将制冷剂保持在略微过热状态，并将制冷剂压力下降到与上述第一膨胀器驱动的压缩机220A、第二膨胀器驱动的压缩机220B和压缩机230的输出相一致的压力。第一膨胀器160进一步操作以产生机械功，特别是对第一驱动构件180A赋予旋转力。因此，第一膨胀器160作为气相膨胀器进行操作，该气相膨胀器布置成对第一驱动构件180A赋予作为功输出的旋转力。第一膨胀器160和第二膨胀器170的操作受控制元件100控制。在一个实施例中，控制元件100接收指示各个第一和第二膨胀器160和170转速的输入。在一个实施例中，在第一和第二膨胀器160和170的输入处设置集成的控制阀，集成的控制阀响应于控制元件100而操作，以调节进入第一和第二膨胀器160和170的制冷剂流量。在另一实施例中，通过调整一个或多个第一和第二三通阀150的设置，使控制元件100进行操作以控制第一膨胀器160，从而将制冷剂保持在略微过热状态，并将制冷剂压力下降到与第一膨胀器驱动的压缩机220A、第二膨胀器驱动的压缩机220B和压缩机230的相应输出相一致的压力。
第二五通阀215进行操作以通过第二三通阀150接收第一膨胀器驱动的压缩机220A、第二膨胀器驱动的压缩机220B和压缩机230的输出，如上所述，它们处于相协调的压力下，将诸流动混合成显现统一温度和压力的组合蒸汽，如过程1060所示，并将呈蒸汽形式的组合制冷剂馈送到冷凝器250的输入。冷凝器250最好与环境空气或其它冷却源协作，冷凝器250进行操作以将接收到的组合制冷剂冷凝成液态，如过程1070所示。离开冷凝器250的液态制冷剂通过第三三通阀150传送到第二泵125，并且如过程1080所示泵送到增加的压力，因此完成该循环。如上所述，在一个非限制性实施例中，第二泵125进行操作以将液态制冷剂的压力提高到3-4MPa的压力。
应该指出的是，第一膨胀器160最好因此对达到蒸汽状态的制冷剂进行操作，而第二膨胀器170在达到液态的制冷剂进行操作。
计算出组合物的热COP大于0.72，COP如上所述按公式1进行计算。计算出电COP大于10，COP如上所述按公式2进行计算。
图3A示出图1A装置的示范性实施例的高级方框图，该装置布置成进一步提供家用热水加热，该装置还包括：第四三通阀150；包括热交换器320的热水箱310；以及家用热水系统330。第四三通阀150插入在第一泵120、余热源110和热交换器140的热源侧形成的闭环内。具体来说，第四三通阀150的第一分头连接到热交换器140的热源管道的输入，而第四三通阀150的第二分头连接到余热源110的输出。第四三通阀150的第三分头连接到位于热水箱310内的热交换器320的热源管道的输入，而热交换器320的热源管道的输出连接到第一泵120的输入。第四三通阀150的控制输入连接到控制元件100的输出。热水箱310内的水被流过热交换器320的热源管道的加热流体加热，并因此提供给家用热水系统330。
控制元件100的相应输出进一步与一个或多个余热源110、热水箱310和第四三通阀150连通，在热水箱310中较佳地设置有温度传感器。响应于温度信息和其它系统参数，控制元件100进行操作以调节第四三通阀150的设置，以使由第一泵120泵送的加热流体的至少一部分流过热水箱310。
图3B示出图2A装置的示范性实施例的高级方框图，该装置布置成进一步提供家用热水加热，该装置还包括：第四三通阀150；包括热交换器320的热水箱310；以及家用热水系统330。第四三通阀150插入在第一泵120、余热源110和热交换器140的热源侧形成的闭环内。具体来说，第四三通阀150的第一分头连接到第二热交换器140的热源管道的输入，而第四三通阀150的第二分头连接到余热源110的输出。第四三通阀150的第三分头连接到位于热水箱310内的热交换器320的热源管道的输入，而热交换器320的热源管道的输出连接到第一泵120的输入。第四三通阀150的控制输入连接到控制元件100的输出。热水箱310内的水被流过热交换器320的热源管道的加热流体加热，并因此提供给家用热水系统330。为简单起见，第一和第二膨胀器160和170图示为共享驱动压缩机220的驱动构件180，如以上有关图1A所描述的，然而，这并不意味着以任何方式加以限制。在另一实施例中，第一和第二膨胀器160、170各自驱动相应的驱动构件，在不超范围的情况下该驱动构件各自与相应的压缩机关联。
控制元件100的相应输出进一步与一个或多个余热源110、热水箱310和第四三通阀150连通，在热水箱310中较佳地设置有温度传感器。响应于温度信息和其它系统参数，控制元件100进行操作以调节第四三通阀150的设置，从而由第一泵120泵送的加热流体的至少一部分流过热水箱310。
图4A示出图1A装置的示范性实施例的高级方框图，该装置还布置成提供余热驱动加热循环。以下诸部分之间的连接用虚线图示，因为它们不被用于图4A的余热驱动加热循环中：第一三通阀150的第三分头和第二膨胀器170的输入之间；第二膨胀器170的输出和蒸发器200的输入之间；第二三通阀150的第二分头和第二四通阀210的第一分头之间；第一四通阀210的第二分头和第一压缩机220的输入之间；第一四通阀210的第三分头和第二压缩机230的输入之间；第二压缩机230的输出和第二四通阀210的第二分头之间；第一压缩机220的输出和第二四通阀210的第三分头之间；冷凝器250的输入和第二四通阀210的第四分头之间；冷凝器250的输出和第三三通阀150的第一分头之间；第三三通阀150的第三分头和膨胀阀190的输入之间；以及膨胀阀190的输出和蒸发器200的输入之间。
图4B示出用于图4A的余热驱动加热循环的压力焓曲线图，其中，x轴代表焓，y轴代表压力。区域900代表用于制冷剂的湿蒸发区域。
在操作中，参照图4A和图4B，来自余热源110的加热流体被第一泵120强制通过各个第一和第二热交换器130和140的热源管道。加压的液体制冷剂在一个非限制性实施例中是R-134a，且在一个非限制性实施例中在1.5-2.5MPa压力下加压，该加压的液体制冷剂通过第二泵125被强制进入第一热交换器130的热接收管道内。应该指出的是，进入第一热交换器130的热接收管道的液体制冷剂的压力不需要与图1A的余热驱动冷却循环中的压力相同，且在所示实施例中较低。
第一三通阀150设定为响应于控制元件100，而较佳地让所有离开第一热交换器130的热接收管道的加压的液体制冷剂进入第二热交换器140的热接收管道的输入内。加压的液体制冷剂因此通过第一和第二热交换器130和140的作用而被加热到过热蒸发状态，如过程2000所示。在一个非限制性实施例中，离开第一热交换器130的热接收管道的加压的液体制冷剂的温度在50-70℃，这代表了过冷的液态。过冷的制冷剂然后被第二热交换器140加热，离开第二热交换器140的热接收管道的加压的液体制冷剂的温度在70-85℃，根据压力，这代表了上述过热蒸发状态。第一和第二泵120和125的运行参数受控制元件100控制，使得离开第二热交换器140的加压的液体制冷剂保持在理想的过热蒸发状态中。
离开第一热交换器140的热接收管道的过热蒸发状态的制冷剂被馈送到第一膨胀器160，该第一膨胀器160可无限制地实施为燃气涡轮或滚轴或螺杆式膨胀器，并且进行操作以膨胀制冷剂，由此，如过程2010所示，降低制冷剂的压力和温度，同时将制冷剂保持在略微过热蒸发状态，处于适合与蒸发器200一起使用的温度下。过热蒸发状态的制冷剂还执行转动驱动构件180的机械作功，然而，机械作功不被用于系统内，最好借助于机械离合器(未示出)将其放弃。控制元件100进行操作以控制第一膨胀器160的操作，以便达到理想的输出压力和温度。在一个非限制性实施例中，在预热驱动加热循环中，第一膨胀器160的期望的输出温度约为30-45℃。
第一膨胀器160的输出通过第二三通阀150馈送到蒸发器200，而蒸发器200在余热驱动加热循环中作为冷凝器。具体来说，进入蒸发器200的略微过热的蒸发状态制冷剂将热量传递到蒸发器200周围的空气，如过程2020所示，冷却制冷剂，用来将状态改变到液态，同时加热服务的空间。离开蒸发器200的液态制冷剂通过第一四通阀210传送到第二泵125，并如过程2030所示泵送到增加的压力，因此完成循环。如上所述，在一个非限制性实施例中，第二泵125进行操作以将液体制冷剂的压力提高到1.5-2.5MPa的压力。
计算余热驱动加热循环的COP为大于2.5，COP如以上所述无法按公式1进行计算。
图5示出图2A装置的示范性实施例的高级方框图，该装置还布置成提供余热驱动加热循环。以下诸部分之间的连接用虚线图示，因为它们不被用于图5的余热驱动加热循环中：第一三通阀150的第三分头和过冷热交换器280的输入之间；过冷热交换器280的输出和第二膨胀器170的输入之间；第二膨胀器170的输出和蒸发器200的输入之间；第二三通阀150的第二分头和第二四通阀210的第一分头之间；第二四通阀210的第二分头和第一压缩机220的输入之间；第二四通阀210的第三分头和第二压缩机230的输入之间；第二压缩机230的输出和第二四通阀210的第二分头之间；第一压缩机220的输出和第二四通阀210的第三分头之间；冷凝器250的输入和第二四通阀210的第四分头之间；冷凝器250的输出和第三三通阀150的第一分头之间；第三三通阀150的第三分头和膨胀阀190的输入之间；以及膨胀阀190的输出和蒸发器200的输入之间。为简单起见，第一和第二膨胀器160和170显示为共享驱动压缩机220的驱动构件180，如以上有关图1A所描述的，然而，这并不意味着以任何方式加以限制。在另一实施例中，第一和第二膨胀器160、170各自驱动相应的驱动构件，在不超范围的情况下该驱动构件各自与相应的压缩机关联。
图5装置的操作在所有方面都类似于以上参照图4B所述的图4A装置的操作，例外之处在于，制冷剂仅通过一个热交换器，即，热交换器140进行加热，因此，为简明起见将不作进一步描述。
图6示出图1A装置的示范性实施例的高级方框图，该装置还布置成提供附加的功率驱动冷却循环。在一个非限制性实施例中，附加功率是电功率，如图所示地连接到电源240。以下诸部分之间的连接用虚线图示，因为它们不被用于图6的附加功率驱动冷却循环中：第一泵120和余热源110之间；第一和第二热交换器130和140之间；第二泵125的输出和第一热交换器130的热接收管道的第一端之间；以及第一热交换器130的热接收管道的第二端和第一三通阀150的第一分头之间；第一三通阀150的第二分头和第二热交换器140的热接收管道的第一端之间；第二热交换器140的热接收管道的第二端和第一膨胀器160的输入之间；第一三通阀150的第三分头和第二膨胀器170的输入之间；第二膨胀器170的输出和蒸发器200的输入之间；第一膨胀器160的输出和第二三通阀150的第一分头之间；第二三通阀150的第二分头和第二四通阀210的第一分头之间；第二三通阀150的第三分头和蒸发器200的输入之间；第一四通阀210的第二分头和第一压缩机220的输入之间；第一四通阀210的第二分头和第一压缩机220的输入之间；第一四通阀210的第四分头和第二泵125的输入之间；第一压缩机220的输出和第二四通阀210的第三分头之间；以及第二泵125的输入和第三三通阀150的第二分头之间。
附加的电源240可以代表基于电力线的电源，或电池操作的电源而毫无限制。应该指出的是，图6的附加功率驱动的冷却循环的操作在所有方面都类似于普通空调冷却系统，因此，出于简明起见，不作进一步描述。
图7示出图1A装置的示范性实施例的高级方框图，该装置还布置成提供附加的功率驱动加热循环。在一个非限制性实施例中，附加功率是电功率。应该指出的是，要添加上图1A的装置中未示出的特定元件，然而，这些元件可用适当的阀门添加到图1A的装置中，而不会影响图1A装置的操作。图7的装置包括：控制元件100；余热源110，不加限制地图示为太阳能收集器；第一泵120和第二泵125；第一热交换器130；第二热交换器140；第一、第二和第三三通阀150；第一膨胀器160；第二膨胀器170；驱动构件180；膨胀阀190；蒸发器200；第一和第二四通阀210；第一压缩机220；第二压缩机230；附加电源240；冷凝器250；膨胀阀260；以及两通阀270。第一压缩机220和第二压缩机230一起形成压缩机单元235。第一泵120布置成：通过余热源110和连接在闭环中的各个第一和第二热交换器130和140的热源管道，驱动工作传热流体，在一个非限制性实施例中，该传热流体由水和乙二醇混合物构成。所示连接用虚线图示，因为它不被用于图6的附加的功率驱动冷却循环中。较佳地，第一和第二热交换器130和140的热源管道串联地连接，然而，串联连接不需要直接和附加的旁路管道连接，在不超范围的情况下可设置阀门。
控制元件100相应的输出连接到各个第一、第二和第三三通阀150的控制输入，连接到各个第一和第二四通阀210的控制输入，连接到附加电源240的控制输入，连接到第一泵120的控制输入，连接到第二泵125的控制输入，以及连接到两通阀270的控制输入。控制元件100还布置成从各种温度和压力传感器(未示出)接收输入，这些传感器为本领域内的技术人员所公知。第二泵125的输出连接到第一热交换器130的热接收管道的第一端，所示的连接用虚线图示，因为它未被用于图7的附加功率驱动加热循环中，而第一热交换器130的热接收管道的第二端连接到第一三通阀150的第一分头，所示的连接用虚线图示，因为它未被用于图7的附加功率驱动加热循环中。第一三通阀150的第二分头连接到第二热交换器140的热接收管道的第一端，所示的连接用虚线图示，因为它未被用于图7的附加功率驱动加热循环中，而第二热交换器140的热接收管道的第二端连接到第一膨胀器160的输入，所示的连接用虚线图示，因为它未被用于图7的附加功率驱动加热循环中。第一三通阀150的第三分头连接到第二膨胀器170的输入，所示的连接用虚线图示，因为它未被用于图7的附加功率驱动加热循环中，而第二膨胀器170的输出连接到蒸发器200的输入，所示的连接用虚线图示，因为它未被用于图7的附加功率驱动加热循环中。
第一膨胀器160的输出连接到第二三通阀150的第一分头，所示的连接用虚线图示，因为它未被用于图7的附加功率驱动加热循环中，第二三通阀150的第二分头连接到第二四通阀210的第一分头，而第二三通阀150的第三分头连接到蒸发器200的输入。第二膨胀器170和第一膨胀器160共享带有第一压缩机220的驱动构件180。蒸发器200的输出连接到第一四通阀210的第一分头，所示的连接用虚线图示，因为它未被用于图7的附加功率驱动加热循环中，第一四通阀210的第二分头连接到第一压缩机220的输入，所示的连接用虚线图示，因为它未被用于图7的附加功率驱动加热循环中，而第一四通阀210的第三分头连接到第二压缩机230的输入。附加电源240的输出连接到第二压缩机230的功率输入。第二压缩机230的输出连接到第二四通阀210的第二分头，第一压缩机220的输出连接到第二四通阀210的第三分头，所示的连接用虚线图示，因为它未被用于图7的附加功率驱动加热循环中，而冷凝器250的输入连接到第二四通阀210的第四分头，所示的连接用虚线图示，因为它未被用于图7的附加功率驱动加热循环中。冷凝器250的输入还连接到膨胀阀260的输出。冷凝器250的输出连接到第三三通阀150的第一分头，第二泵125的输入连接到第三三通阀150的第二分头，所示的连接用虚线图示，因为它未被用于图7的附加功率驱动加热循环中，而第三三通阀150的第三分头连接到膨胀阀190的输入，所示的连接用虚线图示，因为它未被用于图7的附加功率驱动加热循环中。第三三通阀150的第二分头进一步连接到第一四通阀210的第四分头。膨胀阀190的输出连接到蒸发器200的输入，所示的连接用虚线图示，因为它未被用于图7的附加功率驱动加热循环中。膨胀阀260的第二端连接到两通阀270的第一分头，而两通阀270的第二分头连接到蒸发器200的输出。
附加电源240可以代表基于电力线的电源，或电池操作的电源而毫无限制。应该指出的是，图7的附加功率驱动的冷却循环的操作在所有方面都类似于普通空调热模式循环，冷凝器250用作为蒸发器，因此，出于简明起见，不作进一步详述。
图8A示出图2A装置的示范性实施例的高级方框图，该装置仅使用单个膨胀器。以下各部分之间的连接用虚线图示，因为它们未被用于图8A的余热驱动冷却循环中：第一三通阀150的第三分头和过冷热交换器280的输入之间；过冷热交换器280的输出和第二膨胀器170的输入之间；第二膨胀器170的输出和蒸发器200的输入之间；第二三通阀150的第三分头和蒸发器200的输入之间；以及第一四通阀210的第四分头和第二泵125的输入之间。第二膨胀器170和过冷热交换器280也用虚线图示，因为它们未被用于图8A的实施例中。为简单起见，第一和第二膨胀器160和170以及相关联的阀门如上有关图1A所述示出，然而，这绝不意味着以任何方式进行限制。在另一实施例中，第一和第二膨胀器160、170各自驱动相应的驱动构件，在不超范围的情况下这些驱动构件分别与相应压缩机关联。
图8B示出用于图8A的余热驱动冷却循环的压力焓曲线图，其中，x轴代表焓，y轴代表压力。区域900代表用于制冷剂的湿蒸发区域。
在操作中，参照图8A和8B，来自余热源110的加热流体被第一泵120强制通过热交换器140的热源管道。加压的液体制冷剂在一个非限制性实施例中是R-134a，且在一个非限制性实施例中在3-4MPa压力下加压，该加压的液体制冷剂通过第二泵125被强制进入第一三通阀150内。控制元件100进行操作以控制第一三通阀150，以将加压的液体制冷剂传送到热交换器140的热接收管道内，制冷剂在该处被加热到过热蒸发状态，如过程1040所示。在一个实施例中，制冷剂在热交换器140的热接收管道内被加热到85-115℃的温度。
离开热交换器140的热接收管道的过热蒸发状态的制冷剂被馈送到第一膨胀器160，该第一膨胀器160可无限制地实施为燃气涡轮或滚轴或螺杆式膨胀器，并且进行操作以膨胀制冷剂，由此，如过程1050所示，降低制冷剂的压力和温度，同时将制冷剂保持在略微过热蒸发状态，并将制冷剂的压力下降到与下述第一和第二压缩机220和230的输出相一致的压力。第一膨胀器160进一步操作以产生机械功，特别是对驱动构件180赋予旋转力。第一膨胀器160的操作受控制元件100控制。在一个实施例中，控制元件100接收指示第一膨胀器160转速的输入。在一个实施例中，在第一膨胀器160的输入处设置集成的控制阀，该集成的控制阀响应于控制元件100而操作，以调节进入第二膨胀器170的制冷剂流量。在另一实施例中，通过调整一个或多个第一和第二三通阀150的设置，使控制元件100进行操作以控制第一膨胀器160，从而将制冷剂保持在略微过热状态，并将制冷剂的压力下降到与第一和第二压缩机220和230的输出相一致的压力。
如过程1070所示，离开第一膨胀器160的制冷剂进入冷凝器250并冷凝到液态。离开冷凝器250的液体制冷剂的一部分被传送到第二泵125内，并被泵送到如过程1080所示的增加的压力。离开冷凝器250的剩余液体制冷剂通入膨胀阀190内，制冷剂在该处膨胀，如过程1100所示。在一个实施例中，膨胀阀190进行操作以将一部分液体制冷剂转换为蒸发状态。膨胀阀190的输出被馈送到蒸发器200，制冷剂在该处如过程1020所示被完全蒸发，对周围空间提供冷却。
蒸发器200的输出被第一四通阀210分流，蒸发器200输出的第一部分被馈送到第一压缩机220的输入，而蒸发器200输出的第二部分被馈送到第二压缩机230的输入。响应于从驱动构件180获得的功率，控制元件100确定馈送到第一压缩机220的第一部分与馈送到第二压缩机230的第二部分的比例。第一和第二压缩机220和230进行运行，以将分别如过程1030和1030A所示的从蒸发器200中接收的膨胀的蒸汽制冷剂压缩到略微过热的蒸发状态。在一个非限制性实施例中，略微过热的蒸发状态处于40-55℃的温度。
第二四通阀210进行操作以通过第二三通阀150接收第一和第二压缩机220和230的输出以及第一膨胀器160的输出，如上所述，它们处于相协调的压力下，将流动混合成显现统一温度和压力的组合，如过程1060所示，并将蒸汽形式的组合制冷剂馈送到冷凝器250的输入。冷凝器250最好与环境空气或其它冷却源协作，运行该冷凝器250以将接收到的组合制冷剂冷凝到液态，如过程1070所示。离开冷凝器250的一部分液态制冷剂通过第三三通阀150传送到第二泵125，并被泵送到如过程1080所示的增加的压力，因此，完成了该循环。如上所述，在一个非限制性实施例中，第二泵125进行操作以将液体制冷剂的压力提高到3-4MPa压力。流出冷凝器250的剩余液态制冷剂如上所述地通入膨胀阀190。
在图1A的组合态双余热驱动冷却循环和图2A的组合态余热驱动冷却循环中，膨胀阀190因此执行如上所述的第二膨胀器170的膨胀功能，而不提供附加的机械功。因此，效率降低，然而却节约了第二膨胀器170的成本。
因此，本实施例能从具有改进的COP的余热中提供空调，较佳地，利用气相膨胀器，还较佳地与附加液相膨胀器协作。该结构在没有足够余热的情况下，显现出能与附加功率源协作操作的灵活性。
应该认识到，本发明的特定特征为清晰起见在单独的实施例中予以阐述，这些特征也可结合在单个实施例中提供。相反，本发明各种特征为简便起见在单一实施例中描述，它们也可单独地或在任何合适的子组合中提供。
除非另有定义，否则，本文中所用的所有技术和科学的术语具有与本发明所属的行业内的技术人员通常所理解的意义相同的含义。尽管在本发明实践或试验中可使用类似于或等价于本文所述的方法，但这里还是描述了合适的方法。
所有出版物、专利申请、专利和本文中提及的其它参考文献援引其全文作为参考。万一有冲突，则以包括定义在内的专利说明书为准。此外，材料、方法和实例仅是用于说明之目的而无意要加以限制。
本文中所用的术语“包括”、“包含”和“具有”及其配生物意味着“包括但不一定局限于”。术语“连接”不局限于直接的连接，通过中间装置的连接也特别地纳入进来。
本技术领域内的技术人员将会认识到，本发明不局限于以上特别显示和描述的内容。相反，本发明的范围由附后权利要求书予以定义，其包括以上所述各种特征的组合和子组合，以及本发明的变化和修改，行内技术人员阅读了以上描述将会明白这些变化和修改。

Claims (25)

1.一种可操作以提供空调的装置，包括：
控制元件；
第一热交换器；
第一膨胀器，布置成响应于处在过热蒸发状态的制冷剂而产生机械功，所述第一膨胀器连接到所述第一热交换器的输出；
压缩机单元，至少部分地响应于所述第一膨胀器产生的机械功而被驱动；
冷凝器；以及
蒸发器，
其中，在余热冷却模式中，所述控制元件布置成：
将所述第一膨胀器的输出馈送到所述冷凝器；
将所述冷凝器的输出的第一部分馈送到所述第一热交换器；
将所述冷凝器的输出的第二膨胀部分馈送到所述蒸发器；
将所述蒸发器的输出馈送到所述压缩机单元；以及
将所述压缩机单元的被压缩的输出馈送到所述冷凝器的输入。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压缩机单元包括响应于所述第一膨胀器产生的所述机械功的压缩机，以及附加的功率驱动的压缩机，其中，在附加功率源支持的余热冷却模式中，所述控制元件布置成：
响应于所述第一膨胀器产生的所述机械功，将所述蒸发器的输出的第一部分馈送到所述压缩机；以及
将所述蒸发器的输出的第二部分馈送到所述附加的功率驱动的压缩机。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，还包括：
第二热交换器，布置成加热流过其中的制冷剂；以及
第二膨胀器，所述第二膨胀器布置成响应于液态的制冷剂而产生机械功，所述压缩机单元还至少部分地响应于所述第二膨胀器产生的所述机械功而被驱动；
其中，在组合态的双余热冷却模式中，所述控制元件布置成：
将所述冷凝器的输出馈送到所述第二热交换器；
将所述冷凝器的输出的第一部分从所述第二热交换器的输出馈送到所述第一热交换器；
将所述冷凝器的输出的第二部分从液态的所述第二热交换器的输出馈送到所述第二膨胀器；以及
将所述第二膨胀器的输出馈送到所述蒸发器的输入，由此将第二膨胀部分馈送到所述蒸发器。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，在组合态的双余热冷却模式中，所述第一膨胀器的输出的压力与所述压缩机单元的输出的压力相一致。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第一热交换器和所述第二热交换器布置成从单一余热源传递热量。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述余热源是太阳能收集器。
7.如权利要求3所述的装置，其特征在于，还包括响应于所述控制元件的泵，其中，在组合态的双余热冷却模式中，所述控制元件布置成通过所述泵驱动制冷剂进入到所述第二热交换器内。
8.如权利要求3所述的装置，其特征在于，还包括响应于所述控制元件的泵，其中，在余热驱动加热模式中，所述控制元件布置成：
通过所述泵驱动制冷剂进入到所述第二热交换器内；
将离开所述第二热交换器的制冷剂馈送到所述第一热交换器；以及
将所述蒸发器的输出馈送到所述泵的输入。
9.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，还包括：
第二热交换器，布置成冷却流过其中的制冷剂；以及
第二膨胀器，所述第二膨胀器布置成响应于液态的制冷剂而产生机械功，所述压缩机单元还至少部分地响应于所述第二膨胀器产生的所述机械功而被驱动；所述第二膨胀器连接到所述第二热交换器的输出；
其中，在组合态的余热冷却模式中，所述控制元件布置成：
将所述冷凝器的输出的第二部分馈送到所述第二热交换器；以及
将所述第二膨胀器的输出馈送到所述蒸发器的输入，由此，将第二膨胀部分馈送到所述蒸发器。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，在组合态的余热冷却模式中，所述第一膨胀器的输出的压力与所述压缩机单元的输出的压力相一致。
11.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第一热交换器布置成从太阳能收集器传递热量。
12.如权利要求9所述的装置，其特征在于，还包括响应于所述控制元件的泵，以及其中，在余热驱动加热模式中，所述控制元件布置成：
通过所述泵将所述蒸发器的输出馈送到所述第一热交换器；以及
将所述第一膨胀器的输出馈送到所述蒸发器的输入。
13.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括膨胀阀，其中，在附加的功率驱动冷却模式中，所述控制元件布置成：
将所述蒸发器的输出馈送到所述压缩机单元的输入；
将所述压缩机单元的输出馈送到所述冷凝器的输入；以及
通过所述膨胀阀将所述冷凝器的输出馈送到所述蒸发器。
14.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括膨胀阀，其中，在附加的功率驱动加热模式中，所述控制元件布置成：
将所述冷凝器的输出馈送到所述压缩机单元的输入；
将所述压缩机单元的输出馈送到所述蒸发器的输入；以及
通过所述膨胀阀将所述蒸发器的输出馈送到所述冷凝器的输入。
15.一种提供空调的方法，包括余热冷却模式，该余热冷却模式包括：
提供制冷剂；
将所述提供的制冷剂的第一部分加热到蒸发状态；
膨胀所述蒸发状态加热的所述提供的制冷剂的第一部分以产生第一机械功；
蒸发所述提供的制冷剂的第二部分以产生冷却；
至少部分地响应于所述产生的第一机械功，压缩所述提供的制冷剂的所述蒸发的第二部分；以及
将所述压缩的第二部分和所述膨胀的第一部分冷凝到液态。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述压缩还响应于附加的功率源。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述膨胀所述提供的制冷剂的所述蒸发状态加热的第一部分，是与所述压缩的蒸发的第二部分的压力相一致的压力。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括：
对所述冷凝的液态制冷剂加压。
19.如权利要求15-18中任何一项所述的方法，其特征在于，所述余热冷却模式由组合态的双余热冷却模式构成，组合态的双余热冷却模式还包括：
加热所述提供的制冷剂的所述第二部分，同时保持所述提供的制冷剂处于液态；以及
膨胀液态的所述加热的第二部分以产生第二机械功，
其中，所述压缩还响应于所述产生的第二机械功，其中，所述蒸发是属于所述膨胀的加热的第二部分。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述第一部分的所述加热和所述第二部分的所述加热都是响应于单一余热源。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述余热源是太阳能收集器。
22.如权利要求15-18中任何一项所述的方法，其特征在于，所述余热冷却模式由组合态的余热冷却模式构成，组合态的余热冷却模式还包括：
冷却所述提供的制冷剂的所述第二部分；以及
膨胀所述冷却的第二部分以产生第二机械功，
其中，所述压缩还响应于所述产生的第二机械功，其中，所述膨胀是属于所述膨胀的冷却的第二部分。
23.如权利要求15-18中任何一项所述的方法，其特征在于，还包括余热驱动加热模式，该余热驱动加热模式包括：
将所述提供的制冷剂加热到蒸发状态；
膨胀所述蒸发状态的制冷剂；以及
冷凝所述膨胀的蒸发状态的制冷剂，由此提供加热。
24.如权利要求15-18中任何一项所述的方法，其特征在于，还包括附加的功率驱动冷却模式，该附加的功率驱动冷却模式包括：
响应于附加的功率源压缩蒸发状态的所述提供的制冷剂；
将所述压缩的蒸发状态的制冷剂冷凝到液态；
膨胀所述液态的制冷剂；以及
将所述膨胀的制冷剂蒸发到蒸发状态，由此提供冷却。
25.如权利要求15-18中任何一项所述的方法，其特征在于，还包括附加的功率驱动加热模式，该附加的功率驱动加热模式包括：
响应于附加的功率源压缩蒸发状态的所述提供的制冷剂；
将所述压缩的蒸发状态的提供的制冷剂冷凝到液态，由此提供加热；
膨胀所述液态的提供的制冷剂；以及
将所述膨胀的液态的提供的制冷剂蒸发到蒸发状态。
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