CN1764777A - 史特林引擎驱动的具有流体互连通道的热泵 - Google Patents

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Abstract

一种譬如为家中提供暖气及冷气使用的热泵机器，它具有一用作驱动一蒸气压缩热泵的自由活塞式史特林引擎。所述引擎在共同的密封式密封壳体里面以机械方式与压缩机连接。一流道连接到一与在所述史特林引擎内的一工作气体空间连接的制冷剂流道。虽然可利用二氧化碳作为制冷剂和引擎工作气体，最好是利用氦和二氧化碳并经由一个相分离器使它们分离以使氦充足的气体流入史特林引擎而二氧化碳充足的流体通过热泵。

Description

史特林引擎驱动的具有流体互连通道的热泵
技术领域
本发明涉及制热和制冷的设备，特别是涉及一种史特林引擎，它作为驱动蒸气压缩热泵系统的压缩机的一主要动力，以使热量从一较冷物体传送到一较热物体。
背景技术
蒸气压缩热泵常用于为住所或其它建筑物供暖以及供冷藏和空气调节使用。  无论是否用于制热或制冷，它们都被称为“热泵”。
大部分的热泵由电动马达驱动，它们依靠远离热泵所在地产生并经由一传送系统传送到热泵所在地的电能。用于发电的原始能源通常来自一种燃料譬如碳氢化合物燃料，该燃料在发电器站消耗掉。
在发电器站不被转换成电能的原始能源以及在输电系统中从电能转换成的热能，两者都代表热能损耗，因为不能在热泵所在地点把所述耗掉的能量转换成热能。所以，所述损耗的能量代表降低了的燃料效率。例如，在中央发电站产电的热效率大约在40％与45％之间。这代表在发电站里在大气中损耗的热功率数值大约在55％与60％之间。如果考虑到在输电系统上额外的损耗，当供应的电能应用于驱动热泵的时候，所述供应此电能的整体热效率也许只在30％与35％之间。
如果原始能源在热泵的地点转换成机械能以驱动热泵，则任何不被转换成驱动热泵的有功能量可用于向相关的建筑物供暖或作其它用途。碳氢化合物燃料譬如石油产品、木、煤炭以及其它生物产物通常可以获得并容易地转换成热能。能够消耗这些燃料的引擎所驱动的热泵，被用来实现这样的结果，即没有被消耗以驱动热泵的热能被用作其它的目的。内燃引擎及热驱动的外燃引擎，譬如史特林引擎，曾以机械方式与热泵连接以实现此目的。
例如，由热驱动引擎产生的废热曾被用来驱动热泵，它依靠吸收循环及使用二元制冷剂(例如锂溴化物和水、或氨和水)作为工作媒介。
但是，这些吸收循环系统与蒸气压缩系统相比有一特别低的COP(性能系数)，由此它们主要用在热源为免费或废热的地方。如那些熟知所述技术的人所知的，COP(性能系数)的定义为获得的有功热功率与输入功率的比率，两者以相同的功率单位表示。
以往曾有以一内燃引擎或一史特林引擎驱动蒸气压缩热泵的例子。所述蒸气压缩系统具有较高效率及一较佳的COP，但当它们与一已有技术的原动力结合时就遇到了困难。当这些引擎被用作主要的推动力的时侯，它们一般通过一从引擎延伸到压缩机的机械驱动连杆与蒸气压缩系统的压缩机连接。这些连杆通常暴露在大气中或与大气相通，因此它们需要密封件以防止泄漏物进入大气之中。例如，需要在一相对移动的驱动轴与其轴承之间设置一密封件。
密封件会导致一些不希望出现的后果。密封件必须使制冷剂有效地保留在系统之内以发挥其作用以及防止任何制冷剂漏出成为进入大气之中的污染物。密封技术变得特别重要因为大部分的制冷剂与健康及环境等问题有关。由于有效的密封是如此重要，效能良好的密封件是昂贵的，亦因而大大增加了机器的成本。由于需要紧凑和密封的相互接合部件，因此密封件引致大量摩擦损耗，而这种摩擦力使机器的效率下降。密封件亦易磨损，导致机器的寿命减少及可靠性降低。
由于小的内燃引擎存在能发出噪声、低效率及有限的使用寿命等问题，它们未被认真地考虑用作驱动一般家庭供暖系统的热泵。它们也存在上述的密封问题。
以一史特林引擎，特别是一自由活塞式史特林引擎，驱动蒸气压缩系统的压缩机的方式是将热能转换成机械能以使蒸气压缩系统的压缩机运作的一相对有效驱动方式，因为史特林引擎可有效地将热能转换成机械能。但是，已有技术中的典型史特林引擎驱动系统遇到上述的密封问题。
如果将一压缩机及已有技术的史特林引擎放置在一共同及密封的外壳内以防止气体泄漏而进入大气之中，史特林引擎的液体制冷剂及工作气体会变得相互混合一起，一般由在连接活塞与压缩机的圆筒形表面之间漏出的引擎工作气体漏入制冷装置造成的。这导致引擎和(或)热泵中的流体受污染，以及在引擎或热泵上的流体耗尽，因而使运作受损或完全不能运作。
已有技术中曾有多种试图解决这些密封问题的方案。例如使一史特林引擎通过惯性与压缩机结合。其它解决方案则试图使用具有密封功能但容许驱动压缩机的机械运动的隔膜。美国专利4,345,437和4,361,008记载有所述隔膜系统的说明。但是，实施和维护隔膜系统是困难的，因为这些系统在高压之下运作以及因为反复挠屈和机械疲劳也可引致泄漏。
已有技术中利用氦气作为史特林引擎里的工作气体存有多种原因，特别是因为它能有效地把输入热能转换成史特林引擎的输出机械能。
已有技术中也使用二氧化碳作为蒸气压缩热泵系统之中的制冷剂。但是已有技术的史特林引擎系统例如内燃系统，依然遇到上述密封问题。
因此本发明的目的是提供一种热泵系统，其特征在于：可就地利用原始或初级燃料，从而避免了来自发电和配电系统的损耗；在不需一密封件或隔膜的情况下可密封所述系统以防止工作或制冷剂漏出；以及在一热泵内利用在亚临界或穿临界运作的高效率蒸气压缩系统。
本发明的另一目的是利用一蒸气压缩热泵达到上述目的，其特征在于还利用二氧化碳作为高效率的制冷剂以及利用氦作为高效率的史特林引擎的工作气体以优化所述引擎和所述热泵的运作。
发明内容
本发明涉及一种史特林引擎，它以机械方式与一蒸气压缩热泵的压缩机连接。它们通过机械方式及内部工作流体系统连接在一起，并置放在一共同的密封外壳之内以防止制冷剂及史特林工作气体泄漏而进入大气之中。不需在压缩机活塞上或把活塞连接到史特林引擎的一相互连接驱动杆上设置不渗透性的密封件，但可允许史特林引擎的工作流体经过压缩机活塞渗进热泵流道然后返回到史特林引擎。本发明使史特林引擎里面的工作流体的份量和热泵里面的制冷剂的份量在平衡运作状态下维持合适的比例。一种单一流体，较好是二氧化碳，可用作史特林引擎的工作流体和制冷剂。最好是可使用两种流体，特别是使用二氧化碳和氦。当本发明使用两种流体的时侯，在热泵管道中设置有一分离器以分开该两种流体。例如，使氦与二氧化碳分离以产生一种氦成份较高的气体，它通过一流体返回通道流回史特林引擎；及一种二氧化碳成份较高的气体，它保留在热泵内作为一制冷剂。结果，以氦作为史特林引擎工作气体和以二氧化碳作为制冷剂可相应提高史特林引擎的效率和热泵的COP数值。一些气体的相互混合是可接受的，因为二氧化碳也是史特林引擎的一可接受的工作气体。
史特林引擎最好是一种自由活塞式史特林引擎。以及，最好是把热泵的制冷剂流道与史特林引擎连接的流体返回通道，其一端与膨胀阀的下游的热泵阀下游及蒸发器上游的热泵流道相连接而其另一端则与具有相对恒定压力的史特林引擎的弹跳空间连接。这导致史特林引擎的平均运作压力维持于与热泵的吸收压力大约相等的水准。
由于共同的密封外壳与流体返回通道结合，本发明完全不需要密封件，但可允许史特林引擎的漏出气体通过热泵的压缩机活塞进入制冷系统并返回到史特林引擎。
附图说明
图1是本发明较佳实施例的一线路图，它工作在一加热模式之下；
图2是本发明较佳实施例的一线路图，其中制冷剂的流向与图1中制冷剂的流向相反，因而所述实施例在一制冷模式下运作；
图3是一图表，其中示出了本发明较佳实施例的制热及制冷循环。
在描述图中所示的本发明的较佳实施例时，为清晰起见，将引用特定的术语。但是，本发明目并不受所选用术语的限制，每一特定术语可理解为包括以相似方式实现相似目的所有等效的技术。例如，经常使用的连接一词或相似的术语。它们不局限于直接的连接，而是包括通过由那些为熟知所述技术的人认作等效的其它线路组件的连接。
具体实施方式
图1所示为一自由活塞式史特林引擎2，它与一蒸气压缩式热泵4相连接。一个可控制的燃料阀6计量供给史特林引擎2的燃料，而整个热泵系统由一控制器8控制。
该史特林引擎2具有与已有技术的自由活塞式史特林引擎相应的组件。这些组件包括一位移件(驱气活塞)10及一可滑动地设置在气缸14内的活塞12。该位移件10经由一气体弹簧16以弹跳到与活塞12连接，或以弹跳方式与一中央纵向杆、或与熟知史特林引擎技术的人懂得的其它方式连接。熟知已有技术的人士还知道可用其它弹簧，譬如机械弹簧。史特林引擎具有一工作空间18，它包括：一热空间20，其以常规方式通过一热交流器24与冷空间22连接。所述通道26包括通过活塞12的一组件及通过气缸14的另一组件，在活塞接口和气缸表面设有与在活塞12的中间位置连接的端口。如Beale的美国专利4,404,802所述，当活塞通过它的中央位置以维持活塞的中央位置时，所述管道提供工作空间18与弹跳空间28之间暂时的连接。该专利援引在此供参考。
熟知已有技术的人知道，一种碳氢化合物燃料，例如一种典型的气体或流体进入可控燃料测计阀6，并以一计量的速率流向一燃烧器30，更好是流向一利用余热的燃烧器，其中在燃烧器产生的燃烧使热传递到热空间20，因而提高了该热空间的温度。制冷剂通过在冷的一侧的热交换器32循环，以使冷空间的温度降低。一旦运动由譬如一线性马达/交流机34的组合或通过其它熟知已有技术方法启动，在热空间20和冷空间22之间的温度差别使活塞12往复运动，并由此使自由活塞式史特林引擎2产生动力。
由于燃烧器的低效率，在热交换器32处的自由活塞式史特林引擎和燃烧器30释放出的热，可作譬如辅助家中的供暖或提供热水之用。
蒸气压缩热泵4具有一装在一循环流道40内的制冷液，该流道40包括：一热交换器42；一可控膨胀阀44，一可控膨胀阀46；一热交换器48；一与一压缩机52连接的一逆流阀50。该膨胀阀能可控地改变以控制制冷剂的流速。
当如图1所示在加热模式下运作时，热交换器48是一蒸发器，因此它是一受热式热交换器，而热交换器42是一排热或散热式热交换器。当在亚临界运作时，排热式热交换器通常被称为冷凝器。可以见到，当如图2所示在制冷模式下运作时，热交换器42和热交换器48互换角色，以使热交换器42成为受热式热交换器，而热交换器48成为排热式热交换器。
压缩机52包括一压缩机活塞54，它可滑动地设置在一气缸56内并以常规方式设有一吸入阀58及一排放阀60。最好是史特林引擎2的动力活塞12与压缩机活塞54相结合，以使来自往复运动的活塞12的动力直接地耦合到压缩机活塞54，以便驱动它作往复运动。结果是所述活塞的运动都是相同的。史特林引擎动力活塞12的直径大于压缩机活塞54的直径，以使自由活塞式史特林引擎的循环工作与压缩机的相配合。
如图1所示，史特林引擎2和压缩机52同样放置在一共同的密封式的密封壳体62之内，引擎和压缩机装在此密封壳体内。因为循环的制冷剂流道40是密封的，其它与它连接的也是密封的并密封地连接到共同的密封壳体62上，因此整个系统是完全地与大气隔离的，防止任何气体的漏出。没有相对滑动的机械结构，后者需要密封以防止气体通过它而漏进大气之中。
膨胀阀44和46最好是前向膨胀、反向无阻的膨胀阀。这种膨胀阀在Redlich的美国专利5,967,488有所叙述，该专利援引在此作参考。这种阀的特性在于在流体流过阀的一向前方向时，孔流动受阻，阀形成一孔，以便在它的″膨胀末端″的下游产生膨胀。在相反的流向，流动是畅通无阻的，阀没有膨胀。最好是该阀在流动的前向具有一可控制的孔或流速，以便它作为一可控制膨胀阀在一个流动方向运作，而在相反流动方向的运作方式为一无阻的充分敞开的管道。在图中，膨胀阀旁边的一箭头指示出了在膨胀阀下游产生膨胀时流动的受控的流向。膨胀阀44和46与在热交换器42和48之间的制冷剂流道40连接，并设置成相反的方向或极性。这意味着在流动的任一方向，一阀作为膨胀阀运行而另一阀作为无阻的的管道运行。
图1的实施例还有一气/液相分离器70，它具有一对导流管或管道72和74，将每一膨胀阀44和46的膨胀侧以流体交换方式与分离器70的一含有液体部份76相连。分离器70还具有一与一导流管80连接的气相输出端78，后者接着与史特林引擎工作空间的至少一空间相连接，最好是与弹跳空间28相连接。从本发明对运作的描述将可看到，通道80返回到史特林引擎，最好是返回到它的弹跳空间，一工作气体前此在压缩活塞54及压缩缸体56之间漏出而进入制冷剂流道40并被气体分离器70从制冷剂中分离出去。
使流体可从热泵引导回史特林引擎是重要的，不仅是为了在一双流体或多流体系统情况下把两种流体分离以达致最佳效率，而且还为了维持在史特林引擎之内工作流体的正常运作的压力荷载。经由活塞漏出的流体不但代表热泵的潜在污染，而且代表史特林引擎耗用了工作气体。史特林引擎持续地消耗掉工作气体不但降低其效率，且最终可导致引擎不能正常运作、损毁或引擎内的碰撞。
史特林引擎和蒸气压缩式热泵系统利用流体运作，包括一用于史特林引擎的工作气体及一用于热泵的制冷剂。有多种不同的流体供该两系统使用。任何系统包括本发明系统的适用流体的选择取决于多种因素及工程上的选择，其中包括：得以运作的最低标准、运作效率及各系统组件的运作温度。虽然有多种流体可供本发明实施例选用，但当给本发明实施例的一家庭供暖系统选用流体时，这些选择标准具有强的选择性。
此外，本发明的实施例可利用一单一流体作为史特林工作气体和制冷剂。另外，最好是选用两种流体以提高效率，一种选择是为了提高史特林引擎效率，另一选择是为了提高热泵效率，而所选两种流体与本发明实施例相容。本发明使用的流体的标准为在史特林引擎里面的任何温度和压力条件下，该流体必须是蒸气或气体形式，因为在史特林引擎里面不应有液相存在。选择作为蒸气压缩热泵中的制冷剂的流体必须在热泵的受热式热交换器(蒸发器)及排热式热交换器两侧的所须温度条件下具有能发挥效用，即有效的性能。最好是，该制冷剂在受热式热交换器中以一两相状态运作，而更理想是在排热式热交换器中以两相(亚临界)或超临界状态运作。
在本发明以单一流体运作的实施例中，二氧化碳看来是明显的较佳的选择。二氧化碳[R-744]过去成功地被使用为制冷剂。另外，二氧化碳符合作为史特林引擎工作气体以及上述标准的要求。本发明这样的实施例装有充足的二氧化碳，适合史特林引擎和热泵的运作。二氧化碳在已有技术中用作热泵的制冷剂并符合史特林引擎工作气体的要求，因此本领域的普通技术人员懂得所述每一系统的适当的二氧化碳份量。在本发明的一较佳实施例论述中将看见，史特林引擎运作的平均弹跳空间压力相等于热泵的低压侧的或受热式热交换器的蒸发器侧的压力。因为自由活塞式史特林引擎在压力20与50巴之间的运作最有效率，设计师比较喜欢热泵在该范围之内选择一低的运作压力。
在本发明使用单一流体的实施例中，最好是使用二氧化碳，可省去分离器70，以及与一史特林引擎工作空间连接并转换制冷剂流道的导流通道可与蒸发器或蒸发器下游连接。最好是在蒸发器的液体水准高度之上连接。这提供一液体回流通道以回收经由压缩机活塞漏出的流体，并维持史特林引擎里以及在热泵的低压侧的热泵的液体的平衡。
在本发明的实施例中，最好是使用至少两种流体。更好是以二氧化碳作为制冷剂而以氦作为史特林引擎的工作气体。可在两种流体中选择一种流体作为提高史特林引擎的运作效率而选另一种流体作为提高热泵的运作效率。二氧化碳是一种优良的制冷剂。氦一直被用作史特林引擎的一种工作气体，而且氦与二氧化碳的组合符合所述的最低标准并使史特林引擎和热泵能高效率地运作。少量的二氧化碳无可避免地将与氦混合并进入史特林引擎2，在自由活塞式史特林引擎之内遇到的任何温度和压力条件下，它将完全是蒸气状态。所以，可容易地利用这种氦充足但含有二氧化碳的混合气体使引擎有效率地运作。此外，可在热泵的任何合理的运作状态下，在分离器内容易地使氦与二氧化碳分离。
也可使用其它制冷剂，但最好是结合氦使用。它们必须符合上述标准，即在史特林引擎里面的任何温度和压力条件下，它们必须是蒸气或气体形式并作为有效地运作的制冷剂，即在热泵的运作压力和温度下能在蒸气态与液态或超临界态之间转换。因为一典型的史特林引擎在至少20巴的压力下运作，而史特林引擎的排热温度通常是至少30℃，因此本发明使用的制冷剂在压力为20巴及温度为30℃以上时必须是气体。
有其它符合本发明要求的制冷液。这些制冷液包括用于家庭供暖的可在超临界运作的三氟甲烷(R-33)。但是，相信它不会像二氧化碳那样好地运作。甲烷(R-50)只能在非常低温如-90℃附近才是可接纳、可运作或理想的。乙烷(R-170)可作为家庭的制热或制冷用，但它是易燃的。乙烯(R-1150)是易燃的，但可用于5℃之下譬如食物保存的制冷。但是，氦和二氧化碳的组合相信将是相比其它流体更优胜的，因为已知它们可使史特林引擎及热泵高效率地运作，以及由于该两种气体是自然地在大气中存在，因此不会危害环境。
为使用氦和二氧化碳，史特林引擎设计成注入的氦使一自由活塞式史特林引擎的运作压力维持在常规范围之内，通常在20与50巴之间。最好稍为增加的氦份量以超出史特林引擎运作的目标份量，例如超出10％或以下。为适合运作，热泵设计成其低压侧与史特林引擎的平均运作压力相等。热泵注入充足的二氧化碳以便在所述状态下运作。明显地，注入的重量或份量取决于熟知所述技术的人已知的史特林引擎及热泵的容量和其它设计参数。作为例子，在本发明的一热泵系统实施例中热泵从注入气体获得的压力为44巴，由于在运作温度时氦的压力会增加，因此热泵在制热模式运作时的压力为45巴而在制冷模式运作时的压力为47巴。
图1所示为本发明的实施例在制热模式下运作的情况，史特林引擎系统12的输出功率直接地驱动压缩机活塞54。压缩机52将制冷剂流道40中的气体压缩，所述气体主要包含二氧化碳，但在稳态运作时将包含一些主要在压缩机活塞54和气缸56之间漏出的氦。压缩机52把流体泵入排热式热交换器42，其中，蒸气压缩系统以常规运作模式释放热量。在排热式热交换器42中的流体可以是凝固的亚临界二氧化碳或超临界二氧化碳，因为热泵的运作循环可在兰金(Rankine)循环或在假如足够高温下释放热量的超临界循环。流体然后流过膨胀阀44，如箭头方向所示，该膨胀阀44在该流动方向为膨胀阀运作方式。在膨胀阀44下游，流体大约以恒熵膨胀并通过导流管74流进分离器70。
分离器70在制热模式运作中，导流管74从制冷剂流道作为混合相输入端。二氧化碳循环的本质是在分离器之内它将几乎完全凝结成液体状态。但氦将仍然是气态，因此它在分离器70之内将会冒出气泡并与液体二氧化碳分离。因此，氦通过分离器70的气相输出端78并经导流通道80流回史特林引擎2的弹跳空间28。通过把导流通道80与自由活塞式史特林引擎的弹跳空间连接以使氦流回所述弹跳空间，自由活塞式史特林引擎的运作压力将实质上与压缩机的吸收压力相等。这是自由活塞式史特林引擎的运作压力。结果是在分离器70的包含液体部份76的液体二氧化碳将几乎完全没有氦，所述液体二氧化碳将通过作为分离器70的液态输出的导流管72，流过实质上无阻的膨胀阀46进入受热式热交换器(蒸发器)48，并在所述热交换器中自由地以常规模式进行蒸发及吸收热量。
这样，工作气体充足的气体，例如氦充足的气体流回到史特林引擎而二氧化碳充足的液体继续沿制冷剂流道进入受热式热交换器48。液体二氧化碳进入受热式热交换器48之后，以蒸发方式吸热，然后沿吸收管82到压缩机52，并在压缩机52中受压缩后流进排热式交换器42，以通常方式重复所述循环。
本发明可应用热力学中为本技术领域的人士所熟知的改进方法，譬如一种提供逆流热交换器以提供吸热管的制冷的普遍做法。
在本发明的实施例中，由于吸热运作在一热交换器上进行而排热运作在另一热交换器上进行，因此所述的实施例可在不需利用逆流阀50的情况下以制热或制冷模式运作。如果在制冷模式下运作，明显看到需要冷却的物体必须位于与受热式热交换器48热接触的位置，如果用作加热，物体必须位于与排热式热交换器42热接触的位置。
但是，如熟知本技术领域的人士所知，因为热泵用于家庭供暖和空调系统中，理想的是利用逆流阀50以使制冷剂的流向可以倒转，而不是试图倒转与其热接触的热交换器或物体。在一蒸气压缩热泵中采用一逆流阀是熟悉本技术领域的人士所知并且是通常的做法。
图2所示的机器与图1所示的相同，差别在于180度地逆转了逆流阀50，以使压缩机52以反方向驱动制冷剂流过循环的制冷剂流道40。在图2的制冷模式下，制冷运作经由在热交换器42的吸热运作实现，该图2中，该热交换器其运作为一受热式热交换器。热交换器48的功能也是相反的，它在图2的制冷模式下运作成一排热式热交换器48。另外，在图2的制冷模式下，膨胀阀44以其反向接受流动，因此流动畅通无阻，所述膨胀阀并运作为一简单的输送通道。但是，膨胀阀46现接受前向的流动，因此所述膨胀阀作为一可控的膨胀阀运行。分离器70的运作与在制热模式下的运作相同，只是它的导流管72和74的流体输入和输出角色互相作了交换。
图2为本发明适用于家庭供暖的一典型实施例的制冷模式，热泵会在释放热量的较高温度侧，例如如果是对地下的水释放热量时的20℃与在为制冷空气的受热式热交换器侧，例如12℃之间运作。如图1的制热模式下，控制器8仍控制燃料计量阀6，但控制膨胀阀46以计测在热泵流通的制冷剂，而不是控制膨胀阀44。
因此现在应该清楚，只需利用两膨胀阀44和46中的一膨胀阀作为每一模式的膨胀阀，但每一模式使用一不同的膨胀阀。因此，如果不需逆流，如上所述，只需要一个膨胀阀就可以。
此外，如果除去逆流并如上所述使用一单个膨胀阀，气体分离器可结合成为或作为蒸发器的一部份，因而不需独立的气体分离器。可在蒸发器内把氦分离，而流道将从蒸发器连接到史特林引擎的弹跳空间以便将氦充足的气体流回到史特林引擎。
在本发明实施例中的控制可应用已有技术的人士所熟知的控制原理。可从授于Redlich的美国专利4,602,174中描述的一种线性马达/交流发电机34的线圈获得的电力，施加于一蓄电池以供应电力给控制器8的电子线路及阀。自由活塞式史特林引擎的幅度可由许多已知的幅度及电力控制系统加以控制。
对不论哪一膨胀阀计测制冷剂，其控制最好是由过热控制实现。减小在蒸发器出口端的过热可提高热泵的COP。运作为受热式热交换器(蒸发器)的热交换器，其两端的温度的检测在制冷模式时由温度传感器T1或T2进行，而在制热模式时由温度传感器T3和T4进行。也可以使用为那温差设有一温度设定点的一常规反馈控制系统，并设定于可有效地使用蒸发器的最小值，譬如温度为几度的最小值，以确保制冷剂完全地蒸发掉。当蒸发器的两端温差超出设定的温差时，膨胀阀被打开以增加制冷剂的流量以减少过热。同样地，如果当蒸发器两端的温差小于设定的温差(或一设定点范围以避免振荡)时，膨胀阀略为关闭以减少制冷剂流量以增加过热。这膨胀阀的控制应独立于系统中的主要温度控制部分，并设计成确保对膨胀阀的适当设置以利于系统的运作状态。
用于对空间加热或制冷的温度控制系统运作成一常规反馈控制系统，可增加或减少由史特林引擎施加于热泵的驱动。这由改变史特林引擎的输入热量或利用已知的史特林引擎原理改变活塞或移动件的幅度而得以实现。可通过例如对燃料测计阀6的控制以控制史特林引擎2的输入热量。
可以在蒸气压缩热泵的高压侧实现气体的分离。这可藉高压侧在两相之内、亚临界区域运作实现，以便将任何史特林工作气体，譬如氦气分离。如果热泵在超临界运作，使在热泵的高压侧的二氧化碳是超临界，二氧化碳不会液化，因而使史特林工作气体分离会存在困难。这不是一较佳的系统，其中一原因是在二氧化碳系统中超临界运作是是相当可能的，特别是当高压侧的温度很高的时侯使二氧化碳成为超临界时是可能的。
一系统也可以在一与上述方向相反的方向越过压缩机活塞处有泄漏。在这样的系统中，漏出流体会从热泵流进入史特林引擎工作空间。在此情况下，连接到与至少一引擎工作空间连接的制冷剂流道的导流通道使得流体从史特林引擎回流，譬如从弹跳空间流回制冷剂流道，以保持系统的平衡。具体地说，这条回流通道会通往一气体分离器，或如上所述通往亦作为分离器的蒸发器。当这种回流气体到达分离器时，二氧化碳将凝固而氦将上升。由于二氧化碳持续地凝固，在分离器中的二氧化碳的部份压力将降低，因此二氧化碳将通过回流通道流回制冷剂流道。在史特林引擎及制冷剂流道的氦将是相同的，因此它通过回流通道离解，以使氦充足的混合物流回到史特林引擎。结果是将会有平均水准的二氧化碳流入制冷剂流道以及有平均水准的氦流回到史特林引擎。
可利用真正及确定的组件性能可以估计出在制热和制冷模式下系统的整体效能。
在制热模式下，典型的组件性能是：燃烧器效能(nb)≈0.80，FPSE效能(ne)≈0.30。如果热泵4的热源是地下水，例如，在温度为10℃及排热式热交换器42在35℃运作，可期望制热COP(COPh)≈6.0或更佳。这种情况下，热泵是如图3所示的在超临界运作，制热模式过程从90(热量吸收/蒸发)-91(压缩)-92(热量释放)-93(膨胀)。假如燃烧器30输入一单位能量，燃烧器可释放0.2单位热量，自由活塞式史特林引擎2会产生0.8×0.3＝0.24单位工作能量并释放0.8-0.24＝0.56单位热量。热泵被0.24单位工作能量驱动并释放6.0×0.24＝1.44单位热量。对来自燃料的每一单位输入能量，系统的整体加热能量因而是0.2+0.56+1.44＝2.20单位热能。因为以每单位能量计算碳氢化合物燃料通常比电更为便宜，因此大大地节省了整体运作成本。
在制冷模式下，热泵的制冷COP(COPC)≈18.0，即每一单位输入能量提供整体制冷效用为0.24×18.0＝4.32单位能量。另外，如有需要，可把0.2+0.56＝0.76单位的总释放热量用作水或其它方面的加热。因此，所述系统在任何季节(在冬天的制热模式及夏天的制冷模式)都能节省能源并大大地减低运作成本。
从以上的述描可看到，本发明是一种利用一自由活塞式史特林引擎驱动热泵以使热量从一较凉物质传送到一较热物质的方法。所述热泵具有：一压缩机；一含有流体制冷剂的循环的制冷剂流道；以及具有工作流体的史特林引擎。所述方法包括把史特林引擎和压缩机一同装入一密封的密封外壳替之内并使流体的至少一种组成成分在制冷剂流道和史特林引擎之间流动。所述流体虽然可只使用二氧化碳，但最好是包括二氧化碳及氦，而所述方法更包括把流体分离成二氧化碳充足的组份及氦充足的组份，并且随后使氦充足的组份流进入史特林引擎以及二氧化碳充足的组份通过热泵流道。最好是这些组份在制冷剂流道的制冷剂的膨胀之后分离。但是，它们也可在制冷剂流道内的压缩之后分离，最好是在冷凝器之后。
虽然已详细地公开了一些本发明的一些较佳实施例，应予理解的是，在不背离本发明的精神或下述的权利要求范围内还可对本发明作出一些修改。

Claims (22)

1.一种改进的热泵机器，它具有一驱动一热泵的史特林引擎，所述热泵具有一装在一循环传导通道之内的制冷液，所述的循环传导通道包括：一压缩机；一排热式热交换器；一膨胀阀及一受热式热交换器；所述的史特林引擎具有一工作空间，一弹跳空间及一在所述空间的工作流体，所述的改进包括：
(a)把所述压缩机及所述引擎装入一密封式的密封壳体之内，其中所述压缩机以机械方式与所述引擎连接；以及
(b)一导流管连接到与至少一所述引擎工作空间之一连接的所述制冷剂流道。
2.根据权利要求1所述的机器，其中，所述的史特林引擎是一自由活塞式史特林引擎。
3.根据权利要求2所述的机器，其中，所述的流体基本上由二氧化碳组成。
4.根据权利要求2所述的机器，其中，所述的流体包括二氧化碳。
5.根据权利要求2所述的机器，其中，
(a)所述流体包括氦工作气体及一种从包括二氧化碳、三氟甲烷、甲烷、乙烷及乙烯的一组的至少一种制冷剂中选出的制冷剂；
(b)所述机器包括一放置在制冷剂流道中的气/液相分离器，所述分离器具有：一混合相输入端，它连接到流道以接收流体；一液相输出端，它连接到流道以使制冷剂充足的液体流回所述流道；以及一气相输出端，它连接到流道以把工作气体充足的气体供应给史特林引擎。
6.根据权利要求5所述的机器，其中，所述分离器的混合相输入端与膨胀阀的下游连接而所述分离器的液相输出端与受热式热交换器的上游连接。
7.根据权利要求6所述的机器，其中，所述导流管以流体交换方式与所述弹跳空间连接。
8.根据权利要求7所述的机器，其中，的所述流体基本上由氦和二氧化碳组成。
9.根据权利要求8所述的机器，其中，所述的史特林引擎包括一与一在所述压缩机内的压缩机活塞整体地形成的动力活塞，其中所述动力活塞的直径大于所述压缩机活塞的直径。
10.根据权利要求9所述的机器，其中，
(a)所述的机器还包括一放置在制冷剂流道的第二膨胀阀，每一机器膨胀阀是一前向膨胀、反向畅通无阻的膨胀阀，所述的两种阀连接在热交换器之间的制冷剂流道中并以相反的方向连接，以便在任一流动上，一阀作为一膨胀阀运作而另一阀基本上畅通无阻；
(b)所述分离器包括一对导流管，它们使每一膨胀阀的膨胀侧与所述分离器的一含有液体部份相连接；以及
(c)一把所述制冷剂流道连接到所述压缩机的逆流阀。
11.根据权利要求10所述的机器，其中，所述膨胀阀可受控地变动以控制制冷剂的流速。
12.根据权利要求2所述的机器，其中，所述流体基本上由氦和二氧化碳组成。
13.根据权利要求2述的机器，其中，所述的史特林引擎包括一与一在所述压缩机内的压缩机活塞整体地形成的动力活塞，其中所述动力活塞具有的一直径大于所述压缩机活塞的直径。
14.根据权利要求13所述的机器，其中，
(a)所述的机器还包括一第二膨胀阀，每一膨胀阀是一前向膨胀，反向畅通无阻的膨胀阀，所述的两种阀连接在热交换器之间的制冷剂流道中并以相反的方向连接，以便在任一流动上，一阀作为膨胀阀运作而另一阀的运作基本上畅通无阻；
(b)所述机器包括一气/液相分离器，它具有一对流道以使每一膨胀阀的膨胀侧以流体交换的方式与所述分离器的一含有液体部份相连接；所述分离器还具有一与所述通道连接的气相输出端，以把工作气体富气提供给所述史特林引擎；
(c)所述机器包括一把所述制冷剂流道连接到所述压缩机的逆流阀。
15.根据权利要求14所述的机器，其中，所述膨胀阀是可受控地变动的以控制制冷剂的流速。
16.根据权利要求14所述的机器，其中，所述流体由氦工作气体和二氧化碳制冷剂组成。
17.根据权利要求16所述的机器，其中，所述流体基本上由氦和二氧化碳组成。
18.根据权利要求2所述的机器，其中，
(a)所述的流道还更包括一第二膨胀阀，每一膨胀阀是一前向膨胀，反向畅通无阻的膨胀阀，所述的两种阀在热交换器之间的制冷剂流道并在相反的方向连接，以便在任一流向上，一阀作为膨胀阀运作而另一阀基本上畅通无阻运作；
(b)所述机器包括一气/液相分离器，它具有一对流体管道以使每一膨胀阀的膨胀侧以流体交换方式与所述分离器的一含有液体部份连接；所述分离器还具有一与所述通道连接的气相输出端，它提供工作气体充足的气体给所述史特林引擎；
(c)一将所述制冷剂流道连接到所述压缩机的逆流阀。
19.根据权利要求18所述的机器，其中，所述膨胀阀是可受控地变动的以控制制冷剂的流速。
20.一种利用一自由活塞式史特林引擎驱动一热泵以将热量从一较凉物体泵送到一较热物体的方法，所述热泵包括一压缩机及一含有一流体的循环的制冷液流道，所述史特林引擎包含一流体，所述方法包括：
(a)把所述史特林引擎和所述压缩机装入一密封的密封壳体内；以及
(b)使至少一流体组分在制冷剂流道和史特林引擎之间流动。
21.根据权利要求20所述的一种方法，其中，所述流体包括二氧化碳和氦，所述方法还包括使流体分离成二氧化碳充足的组分和氦充足的组分，及使氦充足的组分流入史特林引擎而二氧化碳充足的组分通过所述热泵流道。
22.根据权利要求21所述的一种方法，其中，所述组分的分离是在制冷剂流道中的制冷剂的膨胀之后分离的，氦充足的组分流体流入所述史特林引擎内而二氧化碳充足的组分流体通过所述制冷剂流道。
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