CN1040147C - 热泵装置 - Google Patents

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Abstract

本发明是由外燃式发动机驱动的热泵装置，由所述发动机的驱动而旋转的旋转轴的自动旋转转速设定得比根据负荷按旋转轴所要求的转速的最大值小，又分别使用电动机和制动机使自动旋转转速上升或下降达到要求转速，所以使旋转轴的转速能与要求转速一致，使热泵能满足负荷需要，有恰当的冷热水输出。

Description

热泵装置
本发明是由外燃式发动机、散热器和冷却器构成热泵回路的热泵装置，其散热器里流动的散热介质是用该外燃式发动机的散热热交换器加热的，冷却器里流动的吸热介质是用该发动机吸热热交换器冷却的。
上述结构的热泵装置的先有技术，如附图9所示，介绍在特开昭61-25901号公报，和《斯特林发动机的研制》一书146页16行至147页17行中(1982年7月25日由发行所株式会社工业调查会初版发行)。
图9中，(1)是外燃式发动机，在高温侧气缸(2)内，上下移动的活塞(3)顶端的气缸内部空间中，出入的是高温范围的工作气体(例如，700-1000K的氦气)，同时在气缸另一侧内部空间中出入的是中温度范围(例如，300K-400K)的工作气体。(4)是具有活塞(5)的低温侧气缸，在该气缸内左右移动的活塞(5)顶端的气缸内部空间中，出入的是低温度范围(例如，200K-300K)的工作气体，同时在气缸另一侧内部空间中出入的是中温度范围的工作气体。(6)是加热高温度范围的工作气体的加热管，在其外面设置有散热片(7)。并且，虽在图中未予示出，加热管(6)是以燃烧器的燃烧气体进行加热的。(8)为再生器，在其上部开口出入高温度范围的工作气体(以下称为高温气体)，同时在下部开口则出入中温度范围的工作气体。(9)，(10)分别为中温度范围的工作气体(以下称为中温气体)进行散热用的热交换器。(1)是再生器，其左侧开口出入中温气体，同时其右侧开口则出入低温度范围的工作气体(以下称为低温气体)。另外，(12)是吸热用的热交换器。(13)是流动低温气体的管道，(14)是流动中温气体的管道。
(15)是暖气设备负荷侧的散热器，它与散热用热交换器(9)，(10)间用热水管道(16)进行连接。(17)是冷气设备负荷侧的冷却器，它与吸热用热交换器(12)间用冷水管道(18)进行连接。
(19)，(20)分别是与活塞(3)，(5)的活塞杆(21)，(22)连接的连杆，这些连杆与曲柄(23)连接，相互间保持一定的相位角转动。另外，曲柄(23)的旋转轴(24)上连接着作为启动器的电动机(图上未画出)。而旋转轴(24)如图上箭头所示向右转，同时，活塞(3)、(5)保持一定的相位差动作。活塞(5)的活塞杆(22)的直径比活塞(3)的活塞杆(21)的直径大。另外，(25)是曲柄箱，用间壁(26)(27)分别将该箱与气缸(2)，(4)隔开。
在上述结构的热泵装置中，随着活塞(3)，(5)保持规定的相位差动作，低温侧气缸(4)的顶端内部空间中，由于低温气体膨胀而产生温度下降，降温的低温气体在通过吸热热交换器(12)之际，产生汲取冷水中热量的作用。由此降温的冷水供给冷气负荷侧的冷却器(17)。也就是，可获得冷水输出。另一方面，中温气体在通过散热热交换器(9)、(10)之际，产生加热热水的作用。由此升温的热水供给暖气负荷侧的散热器(15)。即，可获得热水输出。也就是说，该热泵装置由于让活塞(3)，(5)保持规定的相位差进行动作，使外燃式发动机(1)内部的工作气体压力变化，膨胀、压缩，从而便可产生工作气体从发动机(1)外部吸收热，或向发动机(1)外部放出热的循环。
又，外燃式发动机(1)在上述的循环中，由于对活塞(3)的活塞杆(21)的横断面积与活塞(5)的活塞杆(22)的横断面积适当地设定的缘故，所以因气缸内压与曲柄箱(25)内压之差就可能得到活塞的运转，也就是说，自动运转。
在上述先有技术的热泵装置中，由于与旋转轴(24)连接的电动机是作为启动发动机(1)的启动器，所以在发动机(1)启动后，电动机对旋转轴(24)的动力供给停止，发动机1依靠自动运转驱动旋转轴以大致一定的转速旋转，因为活塞(3)，(5)以大致一定的周期动作，所以冷热水输出也大致是一定的。即，在先有技术的热泵装置中，由于冷热水输出很难调整所以使用不方便。
再者，在先有的装置中，调节加热管(6)的加热量，在外燃式发动机(1)中改变工作气体的压力变化，膨胀、压缩的程度，可随之在某个程度上增减冷热水的输出，所以容易由于过度增加加热量而使外燃式发动机(1)过热，反之，如果过份减少加热量，则又会使发动机(1)不能维持其自动运转，因此，对于不能大范围地调整冷热水的输出这点来说，先有技术使用是不方便的。
鉴于这一问题，本发明的目的是，提供能够在大范围内调节冷热水输出的同时，力求提高运转效率的热泵装置。
本发明由外燃式发动机、电动机、制动机、散热器和冷却器构成热泵回路；电动机与外燃式发动机旋转轴相连接，制动机对上述旋转轴加以制动力，散热器中流动着由上述外燃式发动机散热热交换器加热的散热介质，冷却器中流动着由上述外燃式发动机吸热热交换器冷却的吸热介质。附设有检测上述散热介质和吸热介质的温度，或者和上述散热器和冷却器进行热交换的介质温度的检测器，以及按照该检测器检测到的温度与设定温度间的温度差控制上述旋转轴转速的控制器；使根据上述外燃式发动机的运转而旋转的旋转轴自动运转的转速，设定得比按上述温度差对旋转轴要求的转速的最大值小；另一方面，上述控制器具有下述方式的控制，即，当上述要求转速超过上述自动运转的转速时，就驱动上述电动机使上述旋转轴的转速上升，当上述要求转速低于上述自动运转的转速时，就驱动上述制动机使上述旋转轴的转速下降。
在本发明的热泵装置中，假如冷、暖气负荷侧所要求的转速超过自动运转的转速时，根据来自控制器的指令，电动机运转旋转轴的转速上升，反之，假如转速低于自动运转的转速时，根据来自控制器的指令，制动和运转，旋转轴的转速下降，所以，使活塞的动作速度也随之而增减，在低温侧气缸内低温气体每单位时间的膨胀次数，以及，在散热用热交换器中中温气体每单位时间的往复次数都得以在广大范围内增减。由于该作用，使低温气体从冷水汲取的热量和中温气体向热水放出的散热量，即冷热水输出可以在广大范围内进行调整。
附图中：
图1至8表示本发明的实施例，其中：
图1是热泵装置的配管系统图
图2示出说明外燃式发动机一个实施例的功率与转速的关系曲线图
图3是程序方框图
图4-7示出说明外燃式发动机的动作的图，各图示出旋转轴每1/4转时两个活塞的位置关系图，
图8示出外燃式发动机在旋转轴的一转中，工作气体的周期性压力变化，以及，气缸的顶部侧和其相对侧空间容积的变化曲线图，
图9是先有装置的配管系统图。
图中(1)代表外燃式发动机，(9)(10)代表散热用热交换器，(12)代表吸热用热交换器，(15)代表散热器，(17)代表冷却器，(24)代表旋转轴，(28)代表电动机，(29)代表制动机，(30)(31)代表检测器，(32)代表控制器，(33)代表比较装置，(34)代表激励装置，(35)代表制动器。
图1是本发明的实施例的热泵装置的配管系统图，与图9的先有装置相同的机器标以同一标号。
图1中，(28)是与旋转轴(24)连接的可变转速的电动机，(29)是对旋转轴(24)进行制动的制动机，(30)是检测流动于冷水管道(18)中的冷水等吸热介质温度的冷气检测器，(31)是检测流动于热水管道(16)中的热水等散热介质温度的暖气检测器，(32)是按照检测器(30)(31)所检测到的温度与冷、暖气设定温度间的温度差、控制旋转轴(24)的转速的控制器。如图2所示，使根据外燃式发动机(1)的运转而旋转的旋转轴(24)自动运转的转速nc，设定得比按上述温度差对旋转轴(24)所要求的转速的最大值nmax小，在控制器(32)里，设置了比较装置(33)、激励装置(34)和制动装置(35)，比较装置(33)比较要求转速和自动运转的转速nc；当要求转速超过自动运转的转速nc的指令从比较装置(33)发出时，激励装置(34)使电动机(28)运转，令旋转轴(24)的转速上升的要求转速为止；反之，当要求转速比自动运转转速nc下降的指令从比较装置(33)发出时，制动装置(35)使制动机(29)运转，令旋转轴(24)的转速下降到要求转速为止。
(36)是对加热管(6)和高温侧气缸(2)的顶部外表面等进行加热的燃烧器，(37)是设置在热水管道(18)中的循环泵，(38)是设在冷水管路(16)中的循环泵，(39)(40)是设置在室外的排热用热交换器，(41)是设置在住房内具有散热器(15)和冷却器(17)的室内组件，(42)(43)是将热水等散热用介质在暖气运行时导向散热器(15)，在冷气运行时导向排热用热交换器(39)的暖气用三通阀，(44)(45)是将冷水等的吸热用介质在冷气运行时导向冷却器(17)，在暖气运行时导向排热用热交换器(40)的冷气用三通阀。
再者，图1中，活塞杆(22)的直径是活塞杆(21)的直径的4倍左右，并且，连杆(19)(20)间的相位角约为90°。
上述图2示出一实施例，其旋转轴(24)的转速与外燃式发动机(1)的发生功率[图示的点划线]以及与外燃式发动机(1)的运转中的摩擦抗力、工作气体的流动抗力等力(以下称为负荷功率)[图示曲线]的关系曲线图，横轴表示转速[r.p.m]，纵轴表示功率[瓦特]。再者，图2的a瓦特是外燃式发动机(1)启动时的负荷功率。又，点划线与曲线的交点nb表示外燃式发动机(1)的发生功率与负荷功率间的平衡点，nc表示外燃式发动机(1)在自动运转中旋转轴(24)的转速，b瓦特表示外燃式发动机(1)在自动运转中的功率。另外，点划线的斜率是根据外燃式发动机(1)的设计条件的改变而变化的。
下面，根据图3的程序方框图对运行操作进行说明。在启动时，由于电动机(28)是作为启动器使用的，所以，在旋转轴(24)开始旋转的同时，燃烧器(36)开始点火对工作气体进行加热。由于旋转轴(24)开始旋转的缘故，活塞(3)，(5)保持一定的相位差开始在气缸(2)，(4)中滑动，这些气缸的顶部与其相对侧的空间容积如图4-图7中所示进行变化、工作气体一面在这些空间进行往复，一面对加热管(6)加热，另一方面对散热用热交换器(9)，(10)散热，由于进行上述热的授受，如图(8)中所示，随着在容积不断变化的空间中工作气体周期性地膨胀、压缩，以及外燃式发动机(1)内的工作气体重复周期性的压力变化，由此就产生冷热水输出。即，由于在散热用热交换器(9)，(10)中工作气体的散热而产生热水输出，随着在低温侧气缸(4)的顶部的可变空间中的工作气体的周期性膨胀，由于通过吸热用热交换器(12)，其汲取热的作用就产生冷水输出。
再者，图4至7示出旋转轴(24)每1/4转[90°]时活塞(3)，(5)的位置关系图，藉以说明外燃式发动机(1)的动作，图中的箭头表示活塞(3)，(5)的滑动方向和旋转轴(24)的旋转方向。又，图8示出在旋转轴(24)的一转中，工作气体周期性的压力变化和气缸的顶部侧与其相对侧空间的容积变化曲线图，图中的实线表示气缸(2)顶部侧的容积变化[VH]，虚线表示气缸(4)顶部侧的容积变化[Vc]，点划线表示这些气缸顶部的相对侧的容积变化[VM]，双点划线表示工作气体的压力变化[Px]。
当外燃式发动机(1)启动后，一面重复上述的操作，一面逐渐过渡到稳定状态，气缸(2)顶部侧的空间内的工作气体成为所要求的高温度范围的高温气体，另一方面气缸(4)顶部侧的空间内的工作气体成为所要求的低温度范围的低温气体，而这些气缸顶部相对侧的空间内的工作气体则成为所要求的中温度范围的中温气体。外燃式发动机(1)的发生功率也随此逐渐增长，旋转轴(24)的转速达到nc(参照图2)使发生功率和负荷功率在稳定状态而得到平衡，从外燃式发动机(1)就可得到额定的冷热水输出。
此时，如果由于外燃式发动机(1)的自动运转而得到的额客值的冷水输出比冷气负荷大时，则吸热用热交换器(12)的冷水出口温度这时就降低，低于设定温度。由冷气用检测器(30)检出冷水温度和设定温度之间的温度差，来判断这一温降，用比较装置(33)将按照该温度差算出的要求转速与自动运转的转速nc进行比较，根据要求转速降低自动运转转速nc的指令，制动装置(35)起作用，由控制器(32)的信号使制动机(29)运转，使旋转轴(24)的转速下降到要求转速为止。由此，由于在低温侧气缸(4)中的低温气体，在单位时间里的膨胀次数减少，其汲取热量也随之减少，就可使冷气负荷与冷水输出达到平衡。反之，如冷水输出对冷气负荷不足时，由比较装置(33)发出要求转速的指令，使自动运转的转nc加快，而激励装置(34)运转，根据控制器(32)的信号，电动机(28)转动，使旋转轴(24)的转速上升到要求转速为止。由此，气缸(4)中的低温气体单位时间的膨胀次数增加，其汲取热量也随之增大，所以冷气运行时，就可以得到与负荷相适应的冷水输出。该情况在暖气场合取出热水输出方面也是相同的，由暖气用检测器(31)检出热水温度和设定温度之间的温度差，算出要求转速，用比较装置(33)将要求转速与自动运转转速nc进行比较，按要求转速降低自动运转转速nc，用制动装置(35)，使制动机(29)运转，旋转轴(24)的转速下降到要求转速为止，反之，则按要求转速使自动运转转速nc上升，由激励装置(34)，驱动电动机(28)使旋转轴(24)的转速上升到要求转速为止。
这样，如图2所示，用制动机(29)和电动机(28)可以使旋转轴(24)的转速，从nmax到接近于零的大范围内进行增减控制，并且，可不高不低地设定由外燃式发动机(1)的自动运转形成的发生功率b瓦特，调整冷热水输出。而且，由于目的是增减旋转轴(24)的转速，不需要过分加减燃烧器(36)的燃烧量，所以几乎不会引起外燃式发动机(1)过热，另外，也几乎不会由于外燃式发动机(1)加热不足，伴随发生功率不足以致造成运行中断的情况。总之，不会成为运行效率降低的原因招致运行中断，却能够在大范围内调整冷热水输出。再者，作为不高不低地设定外燃式发动机(1)由自动运转形成的发生功率b瓦特的最佳设计条件来说，外燃式发动机(1)的自动运转的转速nc最好是要求转速最大值nmax的50％-90％，因为如在59％以下就要求大容量的电动机(28)，而如在90％以上则由于制动力很大而会使效率降低。该设计条件是根据外燃式发动机(1)驱动部分的摩擦抗力、工作气体的流动抗力、外燃式发动机(1)的热敏电阻和活塞杆(21)(22)的横断面积，以及工作气体的压力、温度等的设计值而选定的。
另外，外燃式发动机(1)的发生功率是随着气缸(2)(4)内压与曲柄箱(25)内压之间的差的大小而增减的，同时，由于旋转轴(24)的转矩主要是根据低温侧气缸(4)的活塞杆(22)的横断面积大小而增减的，所以，随着该横断面积大小的改变，外燃式发动机(1)的发生功率也可改变。换句话说，图2的点划线斜率也可改变。
再者，在上述实施例中，制动机(29)是通过电动机(28)间接连接到旋转轴(24)上的，但也可以直接连接到旋转轴(24)上，又，如果使用兼备制动机(29)与电动机(28)两方面功能的电动机的话，则也可以使两者成为一体。另外，由于在外燃式发动机(1)中备制动机(29)与电动机(28)两方面功能的电动机的话，则也可以使两者成为一体。另外，由于在外燃式发动机(1)中备有把从旋转轴(24)加到制动机(29)上的转距传送到发动机的装置，所以制动机(29)运转之际，可以把外燃式发动机(1)的功率有效利用到发电上。
还有，在上述实施例中，暖气运行时要检测散热用介质——热水的温度，冷气运行时要检测吸热用介质——冷水的温度，但由于在散热器中的热水，冷却器(17)中的冷水同时流动，所以由冷却器(17)冷却并除湿的室内空气，在由加热器(15)加热并除湿时，必须检测热水和冷水的温度。又，也可以检测和散热器(15)、冷却器(17)进行热交换的室内空气等介质的温度，来代替检出的热水和冷水温度。还有，散热器(15)除暖气用之外，也可用于热水供应，冷却器(17)除冷气用之外，也可用于冷藏用和冷冻用。
本发明由外燃式发动机的运转而旋转的旋转轴自动运转的转速，设定得比按负荷要求转速的最大值要小，由于要求转速要上升自动运转的转速时、或反之要下降自动运转的转速时，分别使电动机或制动机运转，所以能够使旋转轴的转速与要求转速一致，可得到与负荷相应的恰当的冷热水输出。
同时，由于把旋转轴的自动运转的转速设定为要求转速最大值的50％-90％，用小容量的制动机与电动机就已足够，可以实行高效率的运行。

Claims (2)

1.一种热泵装置，由外燃式发动机、散热器和冷却器构成热泵回路，其散热器里流动的散热介质是用该外燃式发动机的散热热交换器加热的，冷却器里流动的吸热介质是用该发动机吸热热交换器冷却的；
动力供应装置，用来向所述外燃式发动机提供动力；
制动装置，用来制动所述外燃式发动机；其特征在于：
附设有检测器和控制器，检测器用于检测上述散热用介质和吸热用介质的温度，或者与上述散热器和冷却器进行热交换的介质温度，根据该检测器检测到的温度与设定温度间的温度差，再用控制器来控制上述旋转轴的转速，
另一方面，根据上述外燃式发动机的运转而旋转的旋转轴自动运转转速，设定得比按上述温度差所要求的旋转轴转速的最大值小，
上述控制器中配备有当上述要求转速超过上述自动运转的转速时，就驱动上述发动机使上述旋转轴的转速上升，而当所述要求转速低于上述自动运转的转速时，就驱动上述制动器使上述旋转轴的转速下降的装置。
2.如权利要求1所述的热泵装置，其特征在于：把旋转轴的自动运转转速设定为要求转速最大值的50％-90％。
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