CN105723165B - 用于维勒米尔热泵的四过程循环 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于具有机电一体控制的置换器的维勒米尔热泵的四过程循环。利用曲柄驱动置换器的维勒米尔热泵先前已经得以发展。然而，机电一体控制为控制置换器提供了更多的自由度。所述四过程循环，相比于曲柄驱动的维勒米尔热泵中的已有循环以及那些先前公开的用于机电一体驱动的维勒米尔热泵的循环，能提供更高的性能系数。

Description

用于维勒米尔热泵的四过程循环

技术领域

本申请涉及热泵循环，特别是维勒米尔(Vuilleumier)热泵循环。

背景技术

在最接近的现有技术中的维勒米尔热泵中的置换器由曲柄驱动，例如美国专利U.S.1,275,507中所示。这样的具有曲柄驱动的置换器的热泵的图示在图1中示出。在所述‘507专利中，如图2所示，置换器具有90度的相位差。机电一体化驱动的维勒米尔热泵(其共同地转让给本申请的受让人)已公开在专利文件WO 2013/155258中。在这样的热泵中，置换器被独立地致动以使得一个置换器在另一置换器移动时保持静止状态，这在控制置换器运动中提供了许多额外的自由度。在专利WO 2013/155258 A1的公开文本中，还公开了一种三过程的循环。亟需提供高性能系数的循环。

发明内容

公开一种四过程循环，基于模拟结果，这种四过程循环显示出相比于此前公开的三过程循环更高的性能系数。

公开一种运转热泵的方法。热泵具有适于在热气缸内往复运动的热置换器和适于在冷气缸内往复运动的冷置换器。热置换器具有远端位置和中间位置，冷置换器具有中间位置和远端位置。所述方法包括：致动热置换器自其中间位置移动至其远端位置，致动冷置换器自其中间位置移动至其远端位置，致动热置换器自其远端位置移动至其中间位置，以及致动冷置换器自其远端位置移动至其中间位置，其中上述致动以给定顺序发生。

在一些运转条件下，在热置换器于其中间位置及远端位置间移动所用时间中的至少一部分，冷置换器保持静止，而在冷置换器于其远端位置及中间位置间移动所用时间的至少一部分，热置换器保持静止。

致动热置换器自其中间位置移动至其远端位置构成过程一。致动冷置换器自其中间位置移动至其远端位置构成过程二。致动热置换器自其远端位置移动至其中间位置构成过程三。致动冷置换器自其远端位置移动至其中间位置构成过程四。循环由过程一、随后的过程二、随后的过程三、随后的过程四构成。

所述方法还可包括：控制两个置换器在过程一和过程二之间保持静止达第一预设时间，控制两个置换器在过程二和过程三之间保持静止达第二预设时间，控制两个置换器在过程三和过程四之间保持静止达第三预设时间，以及控制两个置换器在过程四和过程一之间保持静止达第四预设时间。

热置换器气缸内限定热腔室，热腔室内具有的容积与热置换器气缸内的热置换器的位置相关。冷置换器气缸内限定冷腔室，冷腔室内具有的容积与冷置换器气缸内的冷置换器的位置相关。当热置换器处于其远端位置时，热腔室的容积小于当热置换器处于其中间位置时。当冷置换器处于其远端位置时，冷腔室的容积小于当冷置换器处于其中间位置时。

公开了一种热泵，其具有置于热置换器气缸内的热置换器；置于冷置换器气缸内的冷置换器；热置换器致动器，其致动时致使所述热置换器在所述热置换器气缸内在远端位置和中间位置之间往复运动；冷置换器致动器，其致动时致使所述冷置换器在所述冷置换器气缸内在远端位置和中间位置之间往复运动；以及连接至所述热置换器致动器及所述冷置换器致动器的电子控制单元(ECU)。ECU控制所述热置换器及所述冷置换器经一系列布置移动：第一布置，其中所述热置换器处于其在所述热置换器气缸内的中间位置，所述冷置换器紧邻其在所述冷置换器气缸内的中间位置；第二布置，其中所述热置换器处于其在所述热置换器气缸内的远端位置，所述冷置换器紧邻其在所述冷置换器气缸内的中间位置；第三布置，其中所述热置换器气缸内的所述热置换器处于其远端位置，所述冷置换器紧邻其在所述冷置换器气缸内的远端位置；以及第四布置，其中所述热置换器处于其在所述热置换器气缸内的中间位置，所述冷置换器紧邻其在所述冷置换器气缸内的远端位置。

循环包括自第一布置至第二布置至第三布置至第四布置至第一布置的变动。

在所述热置换器自其中间位置移动至其远端位置所用时间中的至少一部分，所述冷置换器在其中间位置保持静止。在所述冷置换器自其中间位置移动至其远端位置所用时间中的至少一部分，所述热置换器在其远端位置保持静止。在所述热置换器自其远端位置移动至其中间位置所用时间中的至少一部分，所述冷置换器在其远端位置保持静止。在所述冷置换器自其远端位置移动至其中间位置所用时间中的至少一部分，所述热置换器在其中间位置保持静止。

在一些实施方式中，冷置换器气缸的中心轴线与热置换器气缸的中心轴线共线。在一些实施方式中，冷置换器气缸的直径大于热置换器气缸的直径。在另一实施方式中，热置换器气缸的直径大于冷置换器气缸的直径。在另一些实施方式中，根据权利要求6的热泵，其中热置换器气缸的直径与冷置换器气缸的直径相等。在一些实施方式中，所述热置换器自其远端位置移动至其中间位置的距离大于所述冷置换器自其远端位置移动至其中间位置的距离。在另一实施方式中，所述热置换器自其远端位置移动至其中间位置的距离小于所述冷置换器自其远端位置移动至其中间位置的距离。在一些实施方式中，所述热置换器在其中间位置和远端位置之间移动所用的时间与所述冷置换器在其中间位置和远端位置之间移动所用的时间不同。在其中的致动器包括弹簧的热泵中，作用于置换器的弹簧可被选取，从而使得置换器在其各自的中间位置和远端位置之间移动所用的时间是不相等的。

公开了一种热泵，其中置于热置换器气缸内的热置换器适于在热置换器气缸内往复运动，冷置换器置于冷置换器气缸内并适于在冷置换器气缸内往复运动。热泵具有连接至热置换器的热置换器致动器、连接至冷置换器的冷置换器致动器以及电子控制单元(ECU)，热置换器致动器适于致使热置换器在热置换器气缸内的中间位置和远端位置之间移动，冷置换器致动器适于致使冷置换器在冷置换器气缸内的中间位置和远端位置之间移动，电子控制单元连接至热置换器致动器和冷置换器致动器。循环包括以下顺序的以下过程：热置换器致动器控制热置换器在热置换器气缸内自中间位置移动至远端位置，冷置换器致动器控制冷置换器在冷置换器气缸内自中间位置移动至远端位置，热置换器致动器控制热置换器在热置换器气缸内自远端位置移动至中间位置，以及冷置换器致动器控制冷置换器在冷置换器气缸内自远端位置移动至中间位置。

热泵在热置换器气缸的一端具有热腔室，在冷置换器气缸的一端具有冷腔室。热腔室的容积在热置换器处于中间位置时大于热置换器处于远端位置时。冷腔室的容积在冷置换器处于中间位置时大于冷置换器处于远端位置时。热泵具有温热腔室，其为热气缸内处于热置换器的与热腔室相对一端的容积与冷气缸内处于冷置换器的与冷腔室相对一端的容积之和。

在一些实施方式中，热置换器气缸的中心轴线与冷置换器的中心轴线共线。在其他实施方式中，热置换器气缸的中心轴线基本平行于冷置换器的中心轴线并相对于冷置换器的中心轴线偏置。在一些实施方式中，热置换器气缸的直径大于冷置换器气缸的直径。

附图说明

图1为现有技术的维勒米尔热泵的示图；

图2为具有曲柄驱动的置换器的维勒米尔热泵中的置换器运动的曲线图；

图3为具有机电一体控制的置换器的维勒米尔热泵的示意图；

图4为维勒米尔热泵中的三过程循环的示意图；

图5为维勒米尔热泵中的四过程循环的示意图；

图6为示出三过程循环的热置换器和冷置换器随着时间的运动的曲线图；

图7为示出四过程循环的热置换器和冷置换器随着时间的运动的曲线图；

图8为示出四过程循环的热置换器和冷置换器随着时间的运动的曲线图，其中置换器的运动重叠；

图9为示出热置换器和冷置换器的运动的曲线图，其中在一些时间段两个置换器均保持静止状态；

图10为维勒米尔热泵的示意图，其中热置换器气缸的直径大于冷置换器气缸的直径；以及

图11为维勒米尔热泵的示意图，其中热置换器的冲程小于冷置换器的冲程。

具体实施方式

如本领域普通技术人员理解的，参考任一附图说明及描绘的实施方式的不同特征可与在一个或多个其他附图中描绘的特征相结合以产生未明确描绘或说明的可替代的实施方式。描绘的特征的结合提供了用于典型应用的代表性的实施方式。但是与本申请的教导一致的特征的各种组合及变型可能是特定的应用或实施中所需要的。本领域普通技术人员可以理解相似的应用或实施(无论其是否被明确地说明或描绘)。

在描述由机电一体致动的维勒米尔热泵推进的循环之前，在图3中示出了这样的热泵50的一个非限制性的例子。热泵50具有壳体52和气缸54，热置换器62和冷置换器66置于气缸内。热置换器62和冷置换器66在气缸衬垫内沿中心轴线53移动做往复运动。用于热置换器62的致动器包括：铁磁元件102及112、电磁体92、弹簧142及144、以及支撑结构143。支撑结构143如图3所示地附接于电磁体92，电磁体92连接至中心柱88，中心柱88连接至壳体52的冷端86。中心柱88、电磁体92和支撑结构143是固定的。当热置换器62自如图6所示的位置向上往复运动时，弹簧142压缩至较其平衡状态的预载荷更大的程度，而弹簧144处于较其平衡状态的预载荷更小的压缩程度。电磁体92被激励，以与弹簧142和144的弹性力相反地将铁磁元件102或112拉向其。类似地，冷置换器66具有冷致动器，其包括：连接至中心柱88的电磁体96、连接至电磁体96的支撑结构147、以及弹簧146及148。弹簧146连接于支撑结构147和冷置换器66的第一帽部126之间。弹簧148连接于支撑结构147和冷置换器66的第二帽部136之间。电磁体92和96由电子控制单元(ECU)100控制。

铁磁块102、112、106及116分别连接至：与热置换器62的第一帽部122相联的支架、热置换器62的第二帽部132、与冷置换器66的第一帽部126相联的支架，以及冷置换器66的第二帽部136。热置换器62的第二帽部132、冷置换器66的第一帽部126及第二帽部136中设置开口，以供中心柱88向上延伸穿过冷置换器66并穿入热置换器62内。

在壳体52的内表面的一部分和气缸54的外表面之间形成环形腔室。热换热器(hotrecuperator)152、温热交换器(warm heat exchanger)154、冷换热器(cold recuperator)156及冷热交换器(cold heat exchanger)158置于环形腔室内。穿过气缸54的开口使得流体得以在气缸54的内部和环形腔室之间通过。开口166使得流体在冷腔室76和环形腔室内的冷热交换器158之间流动。开口164使得流体得以在温热腔室和环形腔室间流动。热泵50也具有靠近壳体52的热端设置的热热交换器(hot heat exchanger)165。穿过帽部82的开口162通向热交换器165，热交换器165具有通向环形腔室的通道163。热热交换器165可与燃烧器布置或其他能量源相联。待加热的流体从开口174流入至温热交换器154，并从开口172流出，交叉流动。待冷却的流体在开口176处流入至冷热交换器158，并在开口178流出。穿过热交换器的流体流动可以是反向平行的流动。

维勒米尔热泵中的三过程循环中的置换器的终端位置如图4所描绘。在状态‘a’，热置换器12和冷置换器14在气缸10内均处于其上方位置。在图4中的状态‘b’，冷置换器14移动至其下方位置。自状态‘a’至状态‘b’的变化为第一过程。自状态‘b’至状态‘c’，热置换器12自其上方位置移动至其下方位置，即第二过程。在自状态‘c’回移至状态‘a’中，热置换器12和冷置换器14均向上移动，这就是第三过程。

在图4所描绘的循环中，热置换器12和冷置换器14在循环中的不同的点处于气缸10内的中部空间。即，在状态‘a’，冷置换器14处于气缸10内的中部空间，在状态‘c’，热置换器12处于气缸10内的中部空间。图3中的热泵适用于三过程循环。允许四过程循环的热泵除了气缸伸长以外与图3中的热泵相似，其中的原因将在以下讨论中变得清晰。

用于维勒米尔热泵中的四过程循环在图5中示出，其中热置换器22在热置换器气缸20内往复运动，而冷置换器24在冷置换器气缸21内往复运动。在状态‘d’，热置换器22在气缸20内处于其中间位置并且冷置换器24在气缸21内处于其中间位置。在自状态‘d’变为状态‘e’的过程中，热置换器22在气缸20内移动至其远端位置，这是第一过程或过程一。在自状态‘e’变为状态‘f’的过程中，冷置换器24在气缸21内移动至其远端位置，这是第二过程或过程二。自状态‘f’至‘g’，热置换器22在气缸20内移动至其中间位置；第三过程或过程三。在自状态‘g’移回为状态‘d’的过程中，冷置换器24在气缸21内移动至其中间位置，经历第四过程或过程四。

如上讨论的，在图4中的三过程循环中，热置换器12和冷置换器14占据相同的空间，但是，理所当然地，是在循环期间的不同时间占据相同空间。在图5的四过程循环中，热置换器22和冷置换器24并不跨过中心线26。气缸20和21是共线的且具有相同直径，并且气缸20和21指的是中心线26上方的气缸20和中心线26下方的气缸21。

图4描绘的置换器的移动终端位置在图6中以时间为函数示出。热置换器的下边缘的移动以曲线16示出。冷置换器的上边缘的移动以曲线18示出。自状态‘a’变为状态‘b’，冷置换器向下移动而热置换器静止。自‘b’至‘c’，热置换器向下移动而冷置换器静止。自‘c’至‘a’(完成循环)，两个置换器均向上移动。

图5描绘的置换器的移动的终端位置在图7中以时间为函数示出。热置换器的下边缘绘制为曲线28，而冷置换器的上边缘绘制为曲线30。处于状态‘d’，两个置换器均处于其中间位置并邻近彼此。自状态‘d’至状态‘e’，冷置换器保持静止而热置换器向上移动。自‘e’至‘f’，热置换器保持静止而冷置换器向下移动。自‘f’至‘g’，热置换器向下移动而冷置换器保持静止。自‘g’回到起始位置‘d’，热置换器保持静止而冷置换器向上移动。图6中的循环以三个过程完成而图7中的循环以四个过程完成。因此，如果图6中的循环中的置换器以与图7中的循环中的置换器相同的速度移动，当置换器具有相同的动力时，图7中的循环相比于图6中的循环需要更长时间来完成，长约4/3倍。

图7中的循环的一个可替代方案是图8所示的循环，其中置换器的移动轻微地重叠。热置换器移动的上边缘以曲线32表示，冷置换器的下边缘以曲线34表示。在图8中的时刻220，冷置换器完成其向上的移动而热置换器正开始其向上的移动。在时刻222，冷置换器已到达其上方位置(其远端位置)并保持在上方位置直至时刻224。在时刻224，热置换器尚未到达上方位置(其远端位置)，而这发生在时刻226。同时，在时刻224至226期间，冷置换器完成向上的运动过程。自时刻226至228，热置换器静止在其上方位置。在时刻230，冷置换器完成向下的运动过程并接着停留在下方位置直至时刻232。同时，热置换器自时刻228至时刻234向下移动。在时刻232，冷置换器向上移动经过时刻234、时刻220’及时刻222’。热置换器自时刻234至时刻220’保持静止。在时刻220’，完成了一个完整的循环；在时刻220置换器所处位置与时刻220’相同。

置换器移动的速率由弹簧常数和系统的其他性质决定。当图7和8中所描绘的指的是相同的配置，则图7和8中置换器以相同速率移动。然而，由于如图8中所示的循环中，热置换器的移动始于冷置换器到达其极端位置之前，并且反之亦然，因而图8的循环在较图7更短的时间内发生。这样的循环提供了更高的输出。

关于图6-8的循环的讨论描述了可能最高输出的循环。为得到低一些的输出，两个置换器可在循环的部分之间的时间段保持静止。这样的置换器移动的例子在图9中示出。热置换器的移动如曲线260所示，而冷置换器的移动如曲线262所示。在时刻240，两个置换器均在其气缸内处于其中间位置。在时刻240及时刻242之间，热置换器向上移动。在时刻242及时刻244之间，两个置换器均静止。这一持续时间可以较图9中所示更短或更长。两个置换器均静止的其他时间间隔为时刻246及时刻248之间以及时刻250及时刻252之间。再一次，这些时间段可以更短或更长，以符合所需的输出。此外，置换器处于循环的不同部分的时间间隔可以是不同的。例如，当热置换器处于其远端位置而冷置换器处于其中间位置时的时刻242和时刻244之间的时间间隔长度可以与任一其他时间间隔长度(时刻246至时刻248或时刻250至时刻252)不同。

其中的气缸的直径不同的维勒米尔热泵如图10所示。热置换器气缸28具有相比于冷置换器气缸30更大的直径。在热置换器气缸28中做往复运动的热置换器32也较在冷置换器气缸30中做往复运动的冷置换器34更大。冲程不同的热泵如图11中所示。热置换器气缸40具有热置换器42；而冷置换器气缸41具有冷置换器44。热置换器42的冲程小于冷置换器44的冲程。

尽管最好的模式已参照特定的实施方式做了详细描述，但那些熟知本领域的人应理解，各种各样的替代设计及实施方式均落入以下权利要求的范围内。尽管各个实施方式可能被描述为提供优势或在一个或多个所需性质方面相对于其他实施方式是更佳的，但本领域技术人员应意识到，为了达到所需要的系统特性可放弃一个或多个特征，这取决于特定的应用和实施。这些特性包括但不仅限于：成本、效用、耐用性、生命周期成本、市场化程度、外观、包装、尺寸、可用性、重量、可制造性、易于装配性，等等。在此描述的在一个或多个特征上相较于其他实施方式或现有技术的实施更为不利的实施方式，并不落在本发明的保护范围之外，并且可能对于特定的应用而言是可取的。

Claims (10)

1.一种热泵，包括：

热置换器，其置于热置换器气缸内并且能够在所述热置换器气缸内往复运动；

冷置换器，其置于冷置换器气缸内并且能够在所述冷置换器气缸内往复运动；

热置换器致动器，其连接至所述热置换器并且能够致使所述热置换器在所述热置换器气缸内在中间位置和远离所述冷置换器的远端位置之间运动；

冷置换器致动器，其连接至所述冷置换器并且能够致使所述冷置换器在所述冷置换器气缸内在中间位置和远离所述热置换器的远端位置之间运动；

电子控制单元(ECU)，其电子连接至所述热置换器致动器及所述冷置换器致动器，其中：

所述电子控制单元控制所述热置换器致动器致使所述热置换器在所述热置换器气缸内从中间位置运动至远端位置；

所述热置换器从中间位置运动至远端位置构成第一过程；

所述电子控制单元控制所述冷置换器致动器致使所述冷置换器在所述冷置换器气缸内从中间位置运动至远端位置；

所述冷置换器从中间位置运动至远端位置构成第二过程；

所述电子控制单元控制所述热置换器致动器致使所述热置换器在所述热置换器气缸内从远端位置运动至中间位置；

所述热置换器从远端位置运动至中间位置构成第三过程；

所述电子控制单元控制所述冷置换器致动器致使所述冷置换器在所述冷置换器气缸内从远端位置运动至中间位置；

所述冷置换器从远端位置运动至中间位置构成第四过程；以及

所述电子控制单元控制所述第二过程在所述第一过程完成之前开始。

2.根据权利要求1的热泵，其中，所述电子控制单元控制所述第三过程在所述第二过程完成之前开始。

3.根据权利要求1或2的热泵，其中，所述电子控制单元控制所述第四过程在所述第三过程完成之前开始。

4.根据权利要求1或2的热泵，其中，所述电子控制单元控制所述第一过程在所述第四过程完成之前开始。

5.根据权利要求1或2的热泵，其中，所述电子控制单元以以下顺序控制所述第一过程、第二过程、第三过程和第四过程：第一过程、第二过程、第三过程和第四过程。

6.根据权利要求1或2的热泵，还包括：

在所述热置换器气缸的一端处的热腔室；和

在所述冷置换器气缸的一端处的冷腔室，其中，所述热腔室的容积在所述热置换器处于中间位置时大于热置换器处于远端位置时，所述冷腔室的容积在所述冷置换器处于中间位置时大于冷置换器处于远端位置时。

7.根据权利要求1或2的热泵，其中，所述热置换器气缸与所述冷置换器气缸相连。

8.根据权利要求1或2的热泵，其中，所述热置换器气缸的中心轴线基本平行于所述冷置换器的中心轴线并相对于冷置换器的中心轴线偏置。

9.根据权利要求1或2的热泵，其中，所述热置换器气缸的直径大于所述冷置换器气缸的直径。

10.根据权利要求1或2的热泵，其中，所述热置换器气缸的中心轴线与所述冷置换器气缸的中心轴线共线。