TW202323657A - 熱力循環 - Google Patents

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喬納森 芬頓
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英商飛圖有限公司
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Abstract

一種操作建構為熱機或熱泵的熱力裝置之方法，此熱力裝置在流動順序中包含第一熱交換器、膨脹子腔室及第二熱交換器，此方法包含經由膨脹子腔室將流體從第一熱交換器傳送至第二熱交換器，並藉由：藉由增加膨脹子腔室的體積，允許流體流動於吸入壓力下從第一熱交換器進入膨脹子腔室；將膨脹子腔室內之流體與第一熱交換器流體地隔離；藉由進一步增加膨脹子腔室的體積來使膨脹子腔室內之流體膨脹，以從吸入壓力減少流體的壓力；將膨脹子腔室流體地耦接至第二熱交換器；及藉由減少膨脹子腔室之體積使流體傳送出膨脹子腔室至第二熱交換器。

Description

熱力循環
本揭示內容有關操作建構為熱機或熱泵的熱力裝置之方法，及建構為熱機或熱泵的熱力裝置。
熱力循環在19世紀初首次被開發及分類，首先是將熱量轉化為動力，且接著被進一步開發為於冷凍及熱泵系統中使用動力將熱量從低溫傳送至高溫。
熱力循環典型由一系列過程所組成，以壓縮及膨脹流體，並將熱量傳送至環境及由此環境傳送熱量。
最初之理論循環被命名為卡諾循環，界定當熱量被傳送至散熱器時可從熱源提取的最大作功的量。理想之卡諾循環包含在恆溫下的膨脹過程，接著是於恆定熵下之膨脹過程，接著是在恆溫下的壓縮過程，接著是於恆定熵下之壓縮過程。這是在圖1中說明。
亦已敘述其他理論上、理想化的循環，如同包含於恆溫下之膨脹過程、接著是在恆定體積下的膨脹過程、接著是於恆溫下之壓縮過程、接著是在恆定體積下的壓縮過程之斯特林循環。佈雷頓循環包含於恆壓下的膨脹過程，接著是在恆定熵下之膨脹過程，接著是於恆壓下的壓縮過程，接著是在恆定熵下之壓縮過程。
此等過程的進一步細化是當選擇工作流體時，此工作流體於熱傳過程期間改變相位。最常見之範例是郎肯循環，它是佈雷頓循環的變型，而併入工作流體在排熱過程期間之冷凝及工作流體於吸熱過程期間的蒸發。這些壓縮及膨脹過程名義上是恆壓過程，但由於相變，它們亦是恆溫過程。郎肯循環形成大多數在火力發電站中使用水作為工作流體之發電系統的基礎，同時亦是有機郎肯循環系統從熱能發電之基礎。
然而，由於系統內的損耗，理想化之熱力循環實踐上無法達成。如此，現實生活中的熱力循環期待盡可能接近地逼近理想化之循環。
創建實用的機器以將熱量轉化為動力、或利用輸入動力來傳送熱量，需要一些妥協。這些實用機器傾向於包括在封閉循環中循環並遭受壓縮及/或膨脹之流體。
機器內的摩擦無法消除，且意指壓縮及膨脹過程不是無損耗的，且因此不可逆轉。
當使用兩種相位之工作流體時，一些壓縮及膨脹技術需要防止液流體進入或於液體形成過程期間的不利影響。例如，一些類型之渦輪機要求入口為乾燥氣體。一些類型的壓縮機要求此入口完全沒有液體，且在壓縮過程期間不形成液體。其他類型之壓縮機可容忍入口處有細小的液體滴霧，但更多時候不能處理較大之液體結塊。所有這些預防措施都可能限制機器的應用範圍，或可增加其複雜性或降低其熱力效率。於一些案例中，液滴可對壓縮機或膨脹器造成嚴重之物理損壞。
本發明之目的是至少克服上述之一些缺點。
根據本揭示內容，提供有熱力裝置及操作建構為熱機或熱泵的熱力裝置之方法，如請求項中所提出。本發明的其他特徵將由附屬請求項及隨後之敘述明顯看出。
根據第一態樣，提供有操作建構為熱機或熱泵的熱力裝置之方法，此熱力裝置在流動順序中包含第一熱交換器、膨脹子腔室、及第二熱交換器，此方法包含經由膨脹子腔室將流體從第一熱交換器傳送至第二熱交換器，並藉由：藉由增加膨脹子腔室的體積，允許流體流動於吸入壓力下從第一熱交換器進入膨脹子腔室；將膨脹子腔室內之流體與第一熱交換器流體地隔離；藉由進一步增加膨脹子腔室的體積來使膨脹子腔室內之流體膨脹，以從吸入壓力減少流體的壓力；將膨脹子腔室流體地耦接至第二熱交換器；及藉由減少膨脹子腔室之體積使流體從膨脹子腔室傳送出至第二熱交換器。
提供如上述的方法能夠以有效之方式在第一熱交換器與第二熱交換器之間運送膨脹流體。此方法能夠如所需要地實現高功輸出或高能量傳送，並適用於許多應用。
此熱力裝置可包含壓縮子腔室，此方法包含藉由增加壓縮子腔室的體積，在傳送壓力將流體傳送出第二熱交換器至壓縮子腔室。
此方法可包含將壓縮子腔室與第二熱交換器流體地隔離；藉由減少壓縮子腔室之體積來壓縮此壓縮子腔室內的流體，以增加流體之壓力。換句話說，此方法可包含將壓縮子腔室與第二熱交換器流體地隔離；藉由減少壓縮子腔室的體積來增加壓縮子腔室內之流體的壓力。
此方法可包含：將壓縮子腔室與第一熱交換器流體地耦接；及藉由減少壓縮子腔室之體積使流體傳送出壓縮子腔室至第一熱室。
於一範例中，離開膨脹子腔室的流體之溫度係大約等於離開壓縮子腔室的流體之溫度。
允許流體流動於吸入壓力下從第一熱交換器進入膨脹子腔室的過程可為實質上等壓的。
藉由進一步增加膨脹子腔室之體積，使膨脹子腔室內的流體膨脹之過程可為大約絕熱的。
使流體流動傳送出第二熱交換器至壓縮子腔室之過程可為實質上等壓的。
藉由減少壓縮子腔室之體積來增加壓縮子腔室內的流體之壓力的過程可為大約絕熱的。
此裝置可包含膨脹腔室，並可包含第一活塞，且膨脹子腔室可為藉由膨脹腔室及第一活塞所界定之可變體積態樣。
在一範例中，增加膨脹子腔室的體積以允許來自第一熱交換器之流體流動進入膨脹子腔室的步驟於充注行程之吸入相位期間發生，其中在第一活塞與膨脹腔室之間的第一方向中有相對運動。
進一步增加膨脹子腔室之體積直至其抵達預定體積的步驟可能於充注行程的膨脹相位期間發生，在此所述流體抵達第一閾值壓力，其中於第一活塞與膨脹子腔室之間在第一方向中有持續的相對運動。
藉由減少膨脹子腔室之體積將流體傳送出膨脹子腔室至第二熱交換器的步驟於排放行程期間發生，在此排放行程中有第一活塞及膨脹腔室於第二方向中之相對運動，此第二方向係與充注行程中的相對運動之方向相反。
此裝置可包含壓縮腔室，並可包含第二活塞，且壓縮子腔室係藉由壓縮腔室及第二活塞所界定的可變體積態樣，其中藉由增加壓縮子腔室之體積在傳送壓力下將流體流動傳送出第二熱交換器至壓縮子腔室的步驟於充注行程期間發生，在此充注行程中有第二活塞與壓縮腔室之相對運動。
藉由減少壓縮子腔室的體積來增加壓縮子腔室內之流體的壓力之步驟可於排放行程的壓縮相位期間發生，在此排放行程中有第二活塞於與壓縮子腔室之充注行程中的相對運動之方向相反的方向中之相對運動。
第一活塞及第二活塞可為彼此成一體的。
膨脹子腔室及壓縮子腔室可為坐落在往復式機器內之第一活塞的任一側上，其中第一活塞之運動改變膨脹子腔室及壓縮子腔室的體積。
膨脹子腔室及壓縮子腔室可為坐落於不同之往復式機器中。
熱力裝置可包含第二膨脹子腔室及第二壓縮子腔室，此方法包含：當流體流動被允許及在第一膨脹子腔室中膨脹時，藉由減少第二膨脹子腔室的體積，於傳送壓力下將流體流動傳送出第二膨脹子腔室至第二熱交換器。
此方法可包括當流體流動被傳送出第二膨脹子腔室時，藉由增加第二壓縮子腔室之體積，將流體流動傳送出第二熱交換器進入第二壓縮子腔室；將第二壓縮子腔室與第二熱交換器流體地隔離；藉由減少第二壓縮子腔室的體積來壓縮第二壓縮子腔室內之流體，以升高流體的壓力。換句話說，此方法包括以下步驟：將第二壓縮子腔室與第二熱交換器流體地隔離；藉由減少第二壓縮子腔室之體積來增加第二壓縮子腔室內的流體之壓力。
此方法可包括將第二壓縮子腔室與第一熱交換器流體地耦接；及藉由持續減少第二壓縮子腔室的體積將所述流體流動傳送出第二壓縮子腔室至第一熱交換器，其中這些步驟當流體流動係從第一膨脹子腔室傳送至第二熱交換器時發生。
此裝置可被建構成作為熱機作功，且當流體通過第二熱交換器時從流體移除熱量。
此裝置可被建構成作為熱泵作功，且當流體通過第二熱交換器時將熱量加至此流體。
根據第二範例，提供有建構為熱機或熱泵之熱力裝置：其中此裝置包含膨脹子腔室，並建構為：藉由增加膨脹子腔室的體積允許流體流動於吸入壓力下進入膨脹子腔室；流體地隔離膨脹子腔室內之流體；藉由進一步增加膨脹子腔室的體積使膨脹子腔室內之流體膨脹，以從吸入壓力減少流體的壓力；將膨脹子腔室流體地耦接至熱交換器；及藉由減少膨脹子腔室之體積將流體流動傳送出膨脹子腔室至所述熱交換器。
此裝置可包括第一熱交換器；及第二熱交換器，其中允許流體從第一熱交換器進入膨脹子腔室，並從膨脹子腔室傳送至第二熱交換器。
此熱力裝置包含壓縮子腔室，此裝置建構為：藉由增加壓縮子腔室的體積，在傳送壓力下將流體流動傳送出第二熱交換器至壓縮子腔室。
此裝置可被建構為：流體地隔離壓縮子腔室與第二熱交換器；藉由減少壓縮子腔室之體積來壓縮此壓縮子腔室內的流體，以增加流體之壓力。換句話說，此裝置可被建構為：流體地隔離壓縮子腔室與第二熱交換器；藉由減少壓縮子腔室的體積來增加壓縮子腔室內之流體的壓力。
此裝置可被建構為：流體地耦接壓縮子腔室與第一熱交換器；及藉由減少壓縮子腔室之體積將流體流動傳送出壓縮子腔室至第一熱腔室。
此裝置可包含膨脹腔室，並可包含第一活塞，且膨脹子腔室係藉由膨脹腔室及第一活塞所界定的可變體積態樣。
膨脹子腔室之體積可被建構為增加，以允許流體流動於充注行程的吸入相位期間從第一熱交換器進入膨脹子腔室，在此充注行程中有於第一方向中之相對運動。
此裝置係建構為在充注行程的膨脹相位期間進一步增加膨脹子腔室之體積，於此充注行程中，第一活塞及膨脹腔室的相對運動被建構為持續在第一方向中運動。
第一活塞可被建構為於排放行程期間在第二方向中相對膨脹腔室運動，第二方向係與第一方向相反，以減少膨脹子腔室之體積，以將流體流動傳送出膨脹子腔室至第二熱交換器。
此裝置可包含壓縮腔室及第二活塞，且壓縮子腔室係藉由壓縮腔室及第二活塞所界定的可變體積態樣，其中壓縮子腔室之體積被建構為在充注行程期間增加，於此充注行程中有第二活塞及壓縮腔室的相對運動。
根據第三態樣，可提供有操作建構為熱機或熱泵之熱力裝置的方法，此方法包含：藉由增加壓縮子腔室之體積，在吸入壓力下從第一熱交換器誘導流體流動進入壓縮子腔室；流體地隔離壓縮子腔室內的流體與第一熱交換器；藉由減少壓縮子腔室之體積，增加壓縮子腔室內的流體之壓力；將壓縮子腔室流體地耦接至第二熱交換器；及藉由進一步減少膨脹子腔室的體積，將流體流動誘導出壓縮子腔室至第二熱交換器。
根據進一步態樣，可提供有改變流體體積之方法，包含：將流體從第一熱交換器誘導至膨脹子腔室；隔離膨脹子腔室內的流體與第一熱交換器；及使膨脹子腔室內之流體膨脹，直至所述流體抵達第一閾值壓力。
於一範例中，提供有用於熱機或熱泵的裝置，包含：第一膨脹子腔室，其中此第一膨脹子腔室被建構為循環經過第一膨脹子腔室充注行程及第一膨脹腔室排放行程；第一壓縮子腔室，其中第一壓縮子腔室被建構為循環經過第一壓縮子腔室充注行程及第一壓縮子腔室排放行程，其中此裝置係設有用於流體之膨脹子腔室入口通孔，以在膨脹子腔室充注行程期間進入此膨脹子腔室；用於流體的膨脹子腔室出口通孔，以在膨脹子腔室排放行程期間離開膨脹子腔室；用於流體之壓縮子腔室入口通孔，以在壓縮子腔室充注行程期間進入壓縮子腔室；及用於流體的壓縮子腔室出口通孔，以在壓縮子腔室排放行程期間離開壓縮子腔室；其中此裝置被建構用於膨脹腔室入口通孔，以在第一膨脹子腔室充注行程之第一部分期間打開，並於第一膨脹子腔室充注行程的第二部分期間關閉；及其中此裝置被建構用於壓縮子腔室出口通孔，以在第一壓縮子腔室排放行程之第一部分期間關閉，且於第一壓縮子腔室排放行程的第二部分期間打開。
第一膨脹子腔室及第一壓縮子腔室可被建構為在反相中操作。
於一範例中，有第二膨脹子腔室，被建構為循環經過第二膨脹子腔室充注行程及第二膨脹子腔室排放行程，其中第一及第二膨脹子腔室被建構為在反相中操作；第二壓縮子腔室，被建構為循環經過第二壓縮子腔室充注行程及第二壓縮子腔室排放行程，其中第一及第二壓縮子腔室被建構為於反相中操作，其中膨脹腔室入口通孔被提供用於流體，以在各自之充注行程期間進入每一膨脹子腔室，此膨脹子腔室出口通孔被提供用於流體，以在各自的排放行程期間離開每一膨脹子腔室，此壓縮子腔室入口通孔被提供用於工作流體，以在各自之充注行程期間進入每一壓縮子腔室；及壓縮子腔室出口通孔被提供用於流體，以在各自的排放行程期間離開每一壓縮子腔室，其中此裝置被建構用於膨脹子腔室入口通孔，以在每一膨脹子腔室充注行程之第一部分期間開放至各自的膨脹子腔室，及於每一膨脹子腔室充注行程之第二部分期間關閉至各自的膨脹子腔室，且此裝置被建構用於壓縮子腔室出口通孔，以在每一壓縮子腔室排放行程之第一部分期間關閉至各自的壓縮子腔室，並於每一壓縮子腔室排放行程之第二部分期間開放至各自的壓縮子腔室。
在一範例中，此裝置被建構，以致當膨脹子腔室入口通孔打開時，壓縮子腔室出口通孔被關閉，而當壓縮子腔室出口通孔打開時，膨脹腔室入口通孔被關閉。
根據另一態樣，可提供有流體泵，以將飽和之流體從第二熱交換器傳送至第一熱交換器。此流體泵可與壓縮子腔室一起使用，或可取代它。
本揭示內容有關與通常將自然地被歸類為或聲稱為｢正排量｣或操作的膨脹裝置一起使用之熱力循環。
上述特徵可為一起組合於各種組合中。
圖1顯示理想化的卡諾循環當作用為熱機時之壓力/體積圖表。於此循環中，工作流體被建構為通過四個熱力過程。
在圖1所顯示之曲線圖的點1與點2之間，熱量從流體等溫地傳送至於恆定溫度T 2的低溫貯存器。引擎中之流體係與在溫度T 2的低溫貯存器熱接觸。環境對流體作功，例如藉由驅動活塞來減少容納流體之腔室的體積，造成一定量之熱能Q out離開系統至低溫貯存器，並減少系統的熵。
於圖1中所顯示之曲線圖上的點2與3之間，流體經歷絕熱壓縮(或等熵壓縮)。再一次，引擎中的流體係與冷熱貯存器熱絕緣，且引擎被假定為無摩擦，因此是可逆的。於此步驟期間，環境持續對流體作功，例如藉由進一步驅動活塞，並進一步減少容納流體之腔室的體積。這具有增加流體內能之功效，並造成其溫度由於系統中增加的功而回升至T 1，但熵保持不變。
在圖表上之點3處，流體在相當小的體積下處於相當高壓力之狀態中。在圖表上的點3與4之間，熱量以恆定溫度從高溫貯存器中可逆地傳送(亦即等溫加熱)。
在此步驟期間，流體膨脹，對環境作功，例如藉由推動活塞。壓力從點3下降至點4，但於此過程期間，流體的溫度並不會改變，因為其係在T 1與熱貯存器熱接觸，且因此膨脹係等溫的。從高溫貯存器吸收熱能Q in，導致流體之熵增加。
於圖1中所顯示之曲線圖上的點4與1之間，流體係與冷熱貯存器兩者熱絕緣，並經歷等熵(或可逆的絕熱)膨脹。流體藉由減壓而持續膨脹，對環境作功，藉由持續運動活塞來增加容納流體之腔室的體積。流體將失去等於所作功之一定量的內能。沒有熱輸入之氣體膨脹造成其冷卻至‘較冷’的溫度，T 2。熵值保持不變。
在此點，流體返回至與步驟1開始處相同之狀態。
卡諾循環中的這些四個過程之每一者遵循PV n=C的多變關係，於此n係多變指數。
如果此多變指數n等於0，則此過程係等壓的。如果指數n等於1，則此過程係等溫的。在這些過程之兩者中，熱量及功兩者可於此過程期間傳送。如果指數係等於所使用流體的比熱之比(亦已知為等熵指數)γ，則此過程係等熵的。當指數n增加至γ以上時，此過程趨向於等熵(當n趨向於無窮大時)。這是另一種特殊案例，在此熱量被傳送，但沒有藉由環境或於環境上作功。
在上述卡諾循環之範例中，指數n變動如下： 步驟1至2：-(等溫壓縮)：n=1 步驟2至3：-(絕熱壓縮)：n=γ 步驟3至4：-(等溫膨脹)：n=1 步驟4至1：-(絕熱膨脹)：n=γ
圖2A顯示建構為熱機或熱泵的裝置100之高度示意性範例。此裝置100被建構為改變流體的體積。裝置100包括用於接收流體之膨脹子腔室102。如下文將更詳細地敘述，裝置100可被建構為接收及傳送第一熱交換器106與第二熱交換器108之間的流體。在一範例中，裝置100於流動順序中包括第一熱交換器106、膨脹子腔室102及第二熱交換器108。裝置100亦可包括坐落於流動順序中的第二熱交換器108之後的壓縮子腔室104。膨脹子腔室102及壓縮子腔室104可一起被認為是流體排量裝置101。
膨脹子腔室102可被認為是膨脹腔室103之即時、但大小可變之態樣。也就是說，遍及此裝置100的操作可變動膨脹子腔室102之體積。
膨脹腔室103可為固定大小的腔室，其中排量手段、如同第一活塞112可相對膨脹腔室103運動，以變動膨脹子腔室102之體積。第一活塞112被建構為相對膨脹腔室103運動，以改變膨脹子腔室102的體積。第一活塞112可取決於操作被使用來壓縮及/或膨脹此膨脹子腔室102內之流體。也就是說，在某些案例中，膨脹腔室103可為固定式，且第一活塞112可為能經過膨脹腔室103運動，以變動膨脹子腔室102的體積。於其他範例中，第一活塞112及膨脹腔室103兩者運動以變動膨脹子腔室102之體積(例如，第一活塞112可僅只旋轉)。在其他範例中，第一活塞112可為固定式，且膨脹腔室103可運動以變動膨脹子腔室102的體積。於這些範例中，第一活塞112被建構為相對膨脹腔室103運動，以變動膨脹子腔室102之體積。
類似地，壓縮子腔室104可被認為是壓縮腔室105的即時、但大小可變之態樣。也就是說，遍及此裝置100的操作可變動壓縮子腔室104之體積。壓縮腔室105可為固定大小的腔室，其中正排量手段、如同第二活塞114可相對運動，以變動壓縮子腔室104之體積。
壓縮腔室105內的第二活塞114可被建構為掃掠經過壓縮腔室105，以變動壓縮子腔室104之體積。第二活塞114可取決於操作被使用來壓縮及/或膨脹壓縮子腔室104內的流體。也就是說，在某些案例中，壓縮腔室105可被認為是固定式，且第二活塞114可為能經過壓縮腔室105運動，以變動壓縮子腔室104之體積。於其他範例中，第二活塞114及壓縮腔室105兩者運動以變動壓縮子腔室104的體積(例如，第二活塞114可僅只旋轉)。在其他範例中，第二活塞114可為固定式，且壓縮腔室105可運動以變動壓縮子腔室104之體積。
於本說明書中，雖然使用活塞來敘述正排量手段，但可使用任何替代的正排量手段。此等替代物包括但不限於膜片。
在一範例中，第一活塞112及第二活塞114係彼此一體的。例如，第一活塞112及第二活塞114係設置於一部件上，例如圖8中所顯示。
第一熱交換器106可為第一貯存器。在一些範例中，第一熱交換器106提供熱能之來源，此熱能可被加至裝置100內的流體。
第二熱交換器108可為第二貯存器。第二熱交換器108可為散熱器，且熱能可為從通過第二熱交換器108之流體移除。
於一範例中，第一熱交換器106及第二熱交換器108的體積可為比膨脹子腔室102及壓縮子腔室104大數個等級。在一範例中，第一熱交換器106及第二熱交換器108係比膨脹子腔室102及壓縮子腔室104之體積大5至15倍之間，較佳地係比膨脹子腔室102及壓縮子腔室104的體積大至少10倍(或更多)。與膨脹腔室相比，提供較大之熱交換器能夠使膨脹及壓縮過程相當快速地運行，以減少用於腔室內熱傳的可能性。然而，熱交換器中之熱傳可相當緩慢地運行。也就是說，當與下面敘述的壓縮或膨脹過程相比時，體積中之此差異允許相當緩慢的熱交換過程。在現實世界之熱機或熱交換應用中，‘快速流動的小體積熱交換器’係不實際或沒有吸引力。相比之下，本揭示內容尋求於熱交換過程期間使體積、表面積、及熱傳最大化。熱交換器的較大體積亦減少來自膨脹子腔室102及壓縮子腔室104之壓力波動，考慮到任何壓力中的變化都僅只是浪費能量，且因此在實質上等壓流體傳送過程期間盡可能完整存在地積極追求壓力中無改變。
於一些範例中，第一熱交換器106及第二熱交換器108之體積將不會相同。
在諸範例中，可有管道110或管道系統來將膨脹子腔室102連接至第一熱交換器106及第二熱交換器108。裝置100亦可包括管道110或管道系統，以將壓縮子腔室104連接至第一熱交換器106及第二熱交換器108。
於一範例中，裝置100包括複數個可為定位在裝置100的諸多元件之間的閥門113。例如，於第一熱交換器106與膨脹子腔室102之間可有一個以上的閥門。當第一熱交換器106與膨脹子腔室102之間的閥門未關閉時，流體可在第一熱交換器106與膨脹子腔室102之間流動(或反之亦然，取決於預期的操作)。當兩元件之間的閥門打開且流體可在它們之間流動時，則此等元件就被認為是流體地耦接在一起。當閥門關閉時，防止流體於第一熱交換器106與膨脹子腔室102之間流動(或反之亦然，取決於預期的操作)。當閥門關閉時，此等元件被認為是彼此流體地隔離。
藉由流體地耦接，其係意指流體可在諸多元件之間流動。流體地耦接係類似於流體地連接。
在一範例中，膨脹腔室103可包含入口通孔140，流體可經過此入口通孔流入膨脹子腔室102。膨脹腔室103亦可包括出口通孔142，流體可流經此出口通孔以離開膨脹子腔室102。例如，當作為熱機操作時，膨脹子腔室102係與第一熱交換器106流體地耦接，以允許流體進入膨脹腔室102，入口通孔140被認為是打開的。當膨脹子腔室102係與第二熱交換器108流體地耦接以將流體傳送至第二熱交換器108時，出口通孔140係打開的。當膨脹子腔室102被流體地隔離時，入口通孔140及出口通孔142被關閉。壓縮腔室103可包含入口通孔144，流體可經過此入口通孔流入壓縮子腔室104。壓縮腔室103亦可包括出口通孔146，流體可流經此出口通孔以離開壓縮子腔室104。於熱機之範例中，流體被建構為從第二熱交換器108流經入口通孔144，並流出此出口通孔146至第一熱交換器106。
在一範例中，通孔140、142、144、146可被定位於環繞膨脹子腔室102及壓縮子腔室104的外殼中。
第一熱交換器106與膨脹子腔室102之間的閥門可被定位在膨脹腔室103之入口通孔140處、第一熱交換器106的通孔處、或第一熱交換器106與膨脹子腔室102之間的管道110內。於膨脹子腔室102與第二熱交換器108、第二熱交換器108與壓縮子腔室104、壓縮子腔室104與第一熱交換器106之間可有類似的閥門。在其他範例中，裝置100不包括閥門，但此裝置之幾何形狀被設定為使得諸多元件根據需要被流體地隔離/耦接在一起(例如，由於膨脹子腔室102及壓縮子腔室104遍及此裝置之操作的相對位置，藉由打開/關閉通孔140、142、144、146)。
在一些範例中，膨脹子腔室102及壓縮子腔室104可為坐落於單一腔室內之單一活塞的任一側上。也就是說，膨脹子腔室102可為活塞之第一側面上的單一腔室之區域，且壓縮子腔室104可被認為是活塞的第二側面上之單一腔室的區域。在此範例中，單一活塞可被使用於壓縮及/或膨脹此膨脹子腔室102及壓縮子腔室104內之流體。
在一些範例中，膨脹子腔室102及壓縮子腔室104係分開、不同的腔室(亦即它們不會分享共同之壁面或邊界或驅動系統)，且活塞112、114的運動未被聯結。於其他範例中，膨脹腔室103內之活塞及壓縮腔室105內的活塞被聯結。例如，連接桿可將膨脹腔室103內之活塞112及壓縮腔室105內的活塞114連接至諸如飛輪116之運動機構。
在裝置100作為熱機工作的範例中，可藉由流體對一個以上之活塞112、114作功而從裝置100提取功，於一些範例中，這導致曲柄、飛輪或驅動軸桿的運動。此功可被使用於驅動動力傳動裝置或發電。
在裝置100作為熱泵工作之範例中，可向裝置100輸入功，例如，藉由活塞的運動。馬達可被使用於驅動曲柄驅動軸桿以驅動活塞112、114。熱機可被使用於將熱量從一位置傳送至另一位置。
在一些範例中，膨脹子腔室102之體積及壓縮子腔室104的體積實質上係完全相同。於其他範例中，膨脹子腔室102之體積係大於壓縮子腔室的體積。在一些範例中，壓縮子腔室104中之連接桿或活塞桿的存在說明膨脹子腔室102與壓縮子腔室104之間的體積中之想要差異。
圖2B顯示當建構為熱機及與可壓縮流體一起操作時，流體的壓力於裝置上運行之熱力循環期間的圖表範例。在其他範例中，流體可為部分或完全飽和的，且係不可壓縮，並可為需要於第一及第二閾值壓力之間進行泵送。
x軸上的角度代表此裝置遍及單一循環之相對位置(使0度係循環的開始，且360度代表此裝置返回至在循環開始處之相同位置)。
當討論圖3A至圖3E中所顯示的裝置100之諸多步驟時，將參考圖2B。
圖3A顯示根據實施例的裝置100之範例的初始配置之示意圖，其中此裝置100被建構成作為熱機工作。在一些範例中，膨脹子腔室102可被稱為第一子腔室，且壓縮子腔室104可被稱為第二子腔室。於裝置100作為熱機工作的此範例中，膨脹腔室103之體積可為大於壓縮腔室105的體積。體積中之差異是當熱量被排出至第二熱交換器及熱量被加至通過第一熱交換器106的流體時，部分地說明體積中之減少。
在此示意性範例中，管道110被顯示為存在或不存在，以指示流體是否能夠於裝置的諸多元件之間流動(或指示通孔是打開或關閉的)。例如，管道110之存在可指示元件之間的閥門為打開，而沒有管道可指示元件之間的閥門是關閉的。或者，管道110之存在可指示裝置100的幾何形狀已運動至一位置，於此位置中，連接元件係彼此開放以允許流體流動。
著重於膨脹子腔室102之操作，圖3A顯示初始配置或起點的範例，其中膨脹子腔室102中之活塞112處於最小體積。在此初始配置中，膨脹子腔室102係與第一熱交換器106流體地耦接(亦即入口通孔係打開的)。如圖3A中所顯示之初始配置對應於圖2B中的圖表上之點200。
圖3B顯示此過程的下一步驟，其中膨脹子腔室102中之充注行程已啟動。膨脹子腔室102與第一熱交換器106之間的流體連接保持打開(例如，入口通孔保持打開)。藉由增加膨脹子腔室102之體積，流體被誘導或允許從第一熱交換器106進入膨脹子腔室102。在一範例中，允許流體藉由第一活塞112相對膨脹腔室103的運動進入膨脹腔室102，以增加膨脹子腔室102之體積。於圖3B中，活塞112已開始充注行程，並已在第一方向中運動。活塞112的運動允許流體從第一熱交換器106進入膨脹子腔室102。允許流體於吸入壓力進入膨脹子腔室102。充注行程之第一部分(或相位)可已知為吸入相位，因為流體被允許至膨脹子腔室102。這是在圖2B中的步驟202表示。
圖3C顯示此過程之下一步驟(此行程的第二部分或膨脹相位)。於活塞112之充注行程中的預定點，膨脹子腔室102係與第一熱交換器106流體地隔離。換句話說，膨脹子腔室102與第一熱交換器106之間的流體連接關閉。也就是說，入口通孔被關閉。這是在圖2B中之點204顯示，且於圖3C中藉由移除膨脹子腔室102與第一熱交換器106之間的管道110所表示。然而，實際上，這可源自膨脹子腔室102與第一熱交換器106之間的閥門關閉及/或膨脹子腔室102被旋轉至一位置，使得其係未打開至第一熱交換器106或與之流體連通。如上所述，閥門可定位在膨脹腔室或第一熱交換器(或兩者)的入口通孔處，或於膨脹子腔室102與第一熱交換器106之間的管道內。
在膨脹子腔室102已與第一熱交換器106流體地隔離之後，活塞112持續於與流體進入膨脹子腔室102的吸入相位期間之相同行程方向(亦即第一方向)中，以增加膨脹子腔室102的體積。也就是說，活塞112持續其充注行程。充注行程之此第二部分可已知為膨脹相位，且在圖2B中的步驟206顯示。已允許進入膨脹子腔室102之流體經過膨脹相位的其餘部分膨脹。
於一些範例中，膨脹子腔室102變得流體地隔離之充注行程中的預定點可為在經過充注行程之路程的50%處。也就是說，於充注行程之前一半期間，允許流體進入膨脹子腔室102(亦即吸入相位)。然後，當活塞112通過膨脹腔室103的一半時，膨脹子腔室102變得與第一熱交換器106流體地隔離，且此行程之剩餘50%被使用來膨脹此膨脹子腔室102中的流體(亦即膨脹相位)。當膨脹子腔室102被流體地隔離(在吸入相位之末端)時，膨脹子腔室102於充注行程末端的流體之體積與膨脹子腔室中的流體之體積的比係已知為膨脹比。在此範例中，將有2：1之膨脹比，因為流體的體積將增加一倍。預定點可為經過充注行程之路程的至少10%、25%、33%、40%。此預設點可為於經過充注行程之路程的高達60%、67%、75%、或90%。
在一範例中，預定點係於經過充注行程之路程的10-90%之間，更佳地係在經過充注行程之路程的25-75%之間。
因此，與膨脹子腔室102的體積中之增加有關聯的整個充注行程係由兩部分、吸入及膨脹所組成。它們之比較比例係已知為腔室內的體積膨脹比。於一些範例中，在體積增加期間，吸入結束及膨脹開始之預定點可為於經過充注行程的路程之50%處。用在100%體積處結束的充注行程，於此案例中產生之腔室內體積膨脹比為2：1。在其他範例中，預定點可於充注行程的10%、20%、30%、40%、60%、70%、80%、90%處發生。
在膨脹相位期間，隨著膨脹子腔室中之流體的體積增加，流體之壓力將下降，且流體的溫度將降低。體積增加、及壓力及溫度降低之數量係藉由如上述的膨脹比所決定。設定膨脹子腔室之膨脹比(及因此流體地隔離膨脹子腔室102的預定點)，使得膨脹子腔室內之流體的壓力可於膨脹相位之末端抵達第一閾值壓力。第一閾值壓力係小於吸入壓力，如遍及圖2B中的步驟206所顯示。也就是說，膨脹子腔室102中之流體的壓力減少，直至其下降至第一閾值壓力隨後之壓力。
圖3D顯示在充注行程末端於膨脹腔室103內的活塞112，使得膨脹子腔室102處於最大體積。一旦活塞112已完成此充注行程，膨脹子腔室102內之流體將抵達第一預定閾值(或最小腔室壓力)。然後，膨脹子腔室102係例如藉由膨脹腔室出口通孔開口與第二熱交換器108流體地耦接。這是在圖2B中的步驟208顯示。如上所述，此流體式耦接可為經由膨脹子腔室102與第二熱交換器108之間的閥門開口及/或藉由膨脹子腔室102被運動至一位置，使得其打開至第二熱交換器108來達成。膨脹子腔室102將不會同時耦接至第一熱交換器106及第二熱交換器108兩者。
於此相位，壓縮子腔室104係亦流體地耦接至第二熱交換器108。也就是說，膨脹子腔室102及壓縮子腔室104兩者係同時耦接至第二熱交換器108。
圖3E顯示此過程之下一階段。流體係藉由減少膨脹子腔室102的體積傳送出膨脹子腔室102至第二熱交換器108。也就是說，膨脹腔室102內之活塞112已開始排放行程，或在與第一方向相反的第二方向中運動，以減少膨脹子腔室102之體積。排放行程將流體有效地傳送經過至第二熱交換器108，且係藉由圖2B中的步驟210所顯示。
於裝置100被建構成作為熱機工作之範例中，第二熱交換器108被建構為從流體接收熱量。換句話說，當流體通過第二熱交換器108時，流體的焓值會減少。第二熱交換器108在本範例中可被稱為散熱器。膨脹子腔室102及第二熱交換器108可於膨脹子腔室102之整個排放行程期間流體地耦接。
在排放行程期間，膨脹子腔室102、第二熱交換器108及壓縮子腔室104內的流體之壓力可為實質上類似(例如第一閾值壓力)，但由於流體通過管道110及第二熱交換器108時對其施加的摩擦力，此流體之壓力可減少。
在排放行程的末端，如圖3A中所顯示，膨脹腔室103中之活塞112返回至起始位置(亦即膨脹子腔室102處於最小體積)，並再次開始此過程。
現在轉至壓縮子腔室104。膨脹子腔室102及壓縮子腔室104可於反相中操作。此配置係顯示在圖3D中。也就是說，當壓縮子腔室104的體積處於最小時，膨脹子腔室102之體積可處於最大。
當膨脹腔室103中的活塞112開始排放行程時，壓縮腔室105中之活塞114開始充填行程。也就是說，壓縮子腔室104係與第二熱交換器108流體地耦接，且允許流體從第二熱交換器108進入壓縮子腔室104。換句話說，壓縮子腔室104的入口通孔係打開。此步驟係顯示在圖2B中之步驟212中。允許流體於傳送壓力下進入第二子腔室104，此壓力可為與上述第一閾值壓力相同。然而，由於當流體通過管道110及第二熱交換器108時對其施加的摩擦力，壓力可略微減少。這是顯示在圖3E中。
壓縮子腔室104及第二熱交換器108於壓縮腔室105內之活塞114的整個充注行程期間可為流體地耦接。也就是說，當壓縮子腔室之體積係從最小增加至最大時，壓縮子腔室104係流體地耦接至第二熱交換器108，且允許流體從第二熱交換器108進入壓縮子腔室104。
一旦壓縮子腔室104的體積抵達最大，裝置就會返回至圖3A中所顯示之條件。現在將敘述壓縮子腔室104中的流體。當壓縮子腔室104處於最大體積時，壓縮子腔室104係與第二熱交換器108流體地隔離。也就是說，移除壓縮子腔室104與第二熱交換器108之間的流體耦接。換句話說，壓縮腔室之入口通孔被關閉。這是顯示在圖2B中的步驟214。這可為閥門關閉之結果及/或由於壓縮子腔室104被旋轉至使得其從第二熱交換器108關閉的位置而發生。為了完整個起見，壓縮子腔室104在此相位亦未流體地耦接至第一熱交換器106。
圖3B顯示此過程之下一步驟。壓縮子腔室104中的第二活塞114已開始排放行程。排放行程係由壓縮相位及排出相位所組成。壓縮相位於排放行程之第一部分期間發生，且排出相位在排放行程的第二部分期間發生。於壓縮相位中，減少壓縮子腔室104之體積，以壓縮此壓縮子腔室104中的流體。在壓縮相位之末端，壓縮子腔室104中的流體可抵達第二閾值壓力。第二閾值壓力係高於先前提及之傳送壓力。壓縮相位係顯示在圖2B中的步驟216中。
圖3C係使用於顯示此過程之下一步驟。在預定點，壓縮子腔室104係流體地耦接至第一熱交換器106。換句話說，壓縮子腔室104與第一熱交換器106之間的流體連接打開。這是於圖3C中藉由在壓縮子腔室104與第一熱交換器106之間加入管道110來表示。換句話說，壓縮腔室的出口通孔被打開。實際上，這可源自壓縮子腔室104與第一熱交換器106之間的閥門打開及/或壓縮子腔室104被旋轉至使得其打開至第一熱交換器106之位置。如上所述，閥門可定位於壓縮子腔室104的通孔。
在壓縮腔室104已流體地耦接至第一熱交換器106之後，排放行程現在進入排出相位，於此相位中，流體係藉由進一步減少壓縮子腔室104的體積而傳送出壓縮子腔室106進入第一熱腔室106。這可藉由活塞114持續在同一方向中來達成。也就是說，活塞114持續其排放行程。排出相位顯示於圖2B中之步驟220處。在排放行程的壓縮相位期間已被壓縮之流體接著於排放行程的排出相位期間被輸送進入第一熱交換器106。
在一些範例中，排放行程中之預定點可為於經過排放行程的路程之50%處。也就是說，當活塞114通過壓縮子腔室104的一半時，壓縮子腔室104變得與第一熱交換器106流體地耦接，且排放行程之剩餘50%被使用來將流體傳送至第一熱交換器106。在壓縮子腔室104係流體地耦接至第一熱交換器106之預定位置處，流體於排放行程開始時的體積與流體在壓縮子腔室104之體積的比係已知為壓縮比。於此範例中，將有2：1之壓縮比，因為流體的體積將被減半。預定點可為經過壓縮行程之路程的至少10%、25%、33%、40%。預定點可為經過壓縮行程之路程的高達60%、67%、75%、或90%。在一範例中，預定點係於經過排放行程之路程的10-90%之間，更佳的是在經過排放行程之路程的25-75%之間。
隨著壓縮子腔室104中的流體之體積減少，流體的壓力將增加，且流體之溫度將增加。體積減少、且壓力及溫度增加的數量係藉由壓縮子腔室104之壓縮比所決定。可設定壓縮子腔室104的壓縮比(及因此壓縮子腔室104係流體地耦接至第一熱交換器106之預定點)，使得流體的壓力於預定點抵達第二壓力閾值。當與傳送壓力相比，第二閾值壓力係更高。也就是說，第二子腔室104中之流體的壓力將在壓縮行程期間增加，直至其抵達第二閾值壓力。
於流體已傳送至第一熱交換器106之後，完整循環已發生，且過程返回至圖3A。
如圖面中所顯示，在此範例中，可有同時發生的一個以上之過程。例如，當流體於壓縮子腔室104中被壓縮時，可允許流體進入膨脹子腔室102。當流體從壓縮子腔室104傳送至第一熱交換器106時，流體可在膨脹子腔室102中膨脹。換句話說，膨脹子腔室102中的充注行程可與壓縮子腔室104中之排放行程同時發生。膨脹子腔室102中的排放行程亦可與壓縮子腔室104中之充注行程同時發生。
圖4A顯示過程的壓力-體積圖表之範例，於此過程中，裝置100作用為熱機。在流體被吸入膨脹子腔室102之前，流體處於點3與4之間的狀態。圖表上之點4代表膨脹子腔室102係與第一熱交換器106流體地隔離的點。
在點4至1之間，流體經歷大約絕熱的膨脹。於點4至1之間的流體膨脹與膨脹子腔室102變得流體地隔離之後的流體膨脹相關。
在點1至2之間，流體經歷實質上等壓的壓縮。藉由實質上等壓之壓縮，其係意指壓力不會變化超過10%。這對應於流體被傳送經過第二熱交換器108至壓縮子腔室104。在此步驟期間，熱量係從流體提取。
於點2至3之間，當壓縮子腔室流體地隔離時，此流體係在壓縮子腔室104中壓縮。這對應於圖3B中所顯示的壓縮子腔室104中之壓縮。流體在此階段可被認為是經歷大約絕熱的壓縮。
於點3與4之間，流體離開壓縮子腔室104並進入第一熱交換器106，且接收熱量輸入。請注意，當流體離開壓縮子腔室104，在第一熱交換器106中保持一段時間，接著進入膨脹子腔室102時，點3至4之間的階段代表流體條件中之變化。流體可被認為是隨著熱量的加入而經歷膨脹。此步驟可為實質上等壓的。藉由實質上等壓膨脹，其係意指壓力不會變化超過10%。
點1、2、3、4係亦顯示於圖2B中之過程中。
在膨脹子腔室102已流體地隔離之後，膨脹流體的過程意指“多變”指數係於經過膨脹行程之預定點變化。多變指數係藉由PV n=C(在此n係多變指數)的關係界定。
換句話說，於膨脹子腔室102係與第一熱交換器106流體連通之充注行程的第一部分(或吸入相位)期間，流體遵循圖4A上之實質上等壓膨脹(如點3與4之間的線中所表示)。在實質上等壓膨脹期間，多變指數係大約等於0(亦即PV 0=C或P=C)。再者，藉由實質上等壓，其係意指壓力不會變化超過10%。
當膨脹子腔室102係流體地隔離時，流體可遵循大約絕熱之膨脹。於絕熱膨脹期間，多變指數係大約等於比熱γ的比，其對於空氣係大約1.4。
換句話說，在活塞112於膨脹腔室102中之膨脹行程期間，多變指數係在預定點變化。
當壓縮子腔室104被流體地隔離且接著隨後將壓縮子腔室104流體地耦接至第一熱交換器102時，壓縮此壓縮子腔室104中的流體之過程意指多變指數係於經過活塞114的排放行程之預定點變化。
換句話說，在壓縮腔室104被流體地隔離的排放行程之第一部分(亦即排放行程的壓縮相位)期間，流體遵循大約絕熱之壓縮。於絕熱壓縮期間，多變指數係大約等於比熱γ的比，其對於空氣係大約1.4。
然後在壓縮子腔室104係與第一熱交換器106流體地耦接之排放行程的第二部分(排出相位)期間，流體可遵循圖4A上之實質上等壓壓縮(如點1與點2之間的線中所表示)。於等壓壓縮期間，多變指數係大約等於0(亦即PV 0=C或P=C)。藉由實質上等壓壓縮，其係意指壓力不會變化超過10%。
換句話說，多變指數係在壓縮子腔室104之排放行程期間的預定點(亦即於壓縮相位之末端及排出相位的開始)變化。
裝置100之卡諾效率可藉由設定膨脹子腔室102的流體膨脹比、壓縮子腔室104之壓縮比、及膨脹子腔室102與壓縮子腔室104的相對體積來調整。
圖4B顯示本發明之壓力/體積循環與卡諾循環的壓力/體積循環相比之重疊。藉由顯示卡諾循環的實線所界定之循環係與圖1中所顯示的循環完全相同。圖4B中之虛線表示本揭示內容的循環與卡諾循環相比之差異。Qin*及Qout*係在本揭示內容的循環中吸收進入流體之熱能及從流體排出的熱能。本揭示內容之點3與4、及點1與2之間的線係實質上等壓的。實質上等壓地允許流體流動之使用及追求係藉由申請人大量建模及測試的結果。
圖4C顯示於此過程期間之壓力-焓值曲線圖，且圖4D顯示在此過程期間的溫度-熵值曲線圖。
於一範例中，設定第一壓力閾值及第二壓力閾值，使得流體離開膨脹子腔室102之溫度實質上匹配流體離開壓縮子腔室104的溫度。當離開膨脹子腔室102及壓縮子腔室104之流體溫度係實質上相同時，就達成工作及效率的最佳平衡。然而，替代流體存在例外情況，或如果有優先考慮工作或效率優先於另一者之偏好。
在一範例中，裝置100包括兩個流體排量裝置101，每一裝置包含膨脹子腔室及壓縮子腔室。此兩個流體排量裝置101係完全相同的，但用於此敘述之目的，第二流體排量裝置之子腔室已被稱為第二膨脹子腔室102b及第二壓縮子腔室104b。換句話說，此裝置包括由第一膨脹子腔室102a及第一壓縮子腔室104a所組成的第一流體排量裝置101、和由第二膨脹子腔室102b及第二壓縮子腔室104b所組成之第二流體排量裝置101。包括兩個流體排量裝置101的裝置之範例係顯示在圖5A至5E中。
第二膨脹子腔室102b係以與第一膨脹子腔室102a完全相同的方式操作，除了其可相對於第一膨脹子腔室102a“異相”達180度。也就是說，當第一膨脹腔室103中之活塞112開始充注行程的吸入相位，以允許流體進入第一膨脹子腔室102a，第二膨脹腔室中之活塞124可開始排放行程，以將流體從第二膨脹子腔室102b傳送至第二熱交換器108。
類似地，第二壓縮子腔室104b以與第一壓縮子腔室102完全相同的方式操作，除了其可為相對於第一壓縮子腔室104“異相”達180度。也就是說，當壓縮腔室105中之活塞114開始排放行程的壓縮相位以壓縮此壓縮子腔室104中之流體時，第二壓縮腔室中的活塞126開始充注行程以允許流體從第二熱交換器108進入第二壓縮子腔室104b。
在一些範例中，第二流體排量裝置101可為相對於第一流體排量裝置101異相達90度。
提供第二流體排量裝置101意指在整個循環期間，有經過熱交換器之一致的流體流動。最佳之流體排量裝置101總數將更通常藉由商業及效率目標的組合所決定。典型地，以互補方式相對於時序配置之更多個子腔室用來穩定熱交換器內的流動及壓力波動。在流體傳送點之每一側，壓力的較佳穩定作用及一致性更通常傾向於更高效率。
在替代範例中，裝置100可作為熱泵來操作。也就是說，裝置100被建構為接收功，例如以驅動活塞112、114並將熱量從冷貯存器(例如第二熱交換器108)傳送至熱貯存器(例如第一熱交換器106)之功的形式。
此過程之步驟係顯示於圖6A至6E中。作為熱泵使用的裝置100係與作為熱機使用之裝置100實際上是完全相同的，除了過程是相反以外。
在此範例中，與壓縮子腔室104相比，膨脹子腔室102可具有較小之體積。
於裝置100作用為熱泵的範例中，膨脹子腔室102及壓縮子腔室104相對它們在作用為熱機之裝置中的配置係有效地“切換”。換句話說，膨脹子腔室102現在顯示於圖6A中之裝置的底部中，且壓縮子腔室104現在顯示於圖6A中之裝置的頂部上。這是為了便於敘述子腔室之參考，但實際上，膨脹子腔室102及壓縮子腔室104的諸多相對幾何形狀及配置係可能的。
圖6A至6E顯示作為熱泵工作之裝置100的操作之諸多步驟。此等操作係與圖3A至3E中的操作完全相同，除了流體之流動是相反以外。再者，熱量被加至第二交換器108中的流體，並從第一熱交換器106中之流體提取。
如同作為熱機工作的裝置100之範例，作為熱泵工作的裝置100亦可為第二流體排量裝置，如圖中7所顯示。
此流體可為例如冷凍劑流體或其他介質，但不限於空氣、乙醇、R22、超飽和CO 2、氨(NH 3)或丙烷(C 3H 8)。
在一範例中，此裝置包含流體排量裝置，其包含可旋轉之軸桿150，於軸桿上提供第一活塞112。此裝置係顯示在圖8中。此軸桿界定第一軸線152，活塞繞著此軸線旋轉。此流體排量裝置亦可包括界定第二旋轉軸線154的第一軸心棒，第一軸桿延伸經過第一軸心棒。第一活塞從第一軸心棒延伸朝第一軸桿之遠側端。流體排量裝置包括承載於第一軸心棒上的第一轉子156，且第一轉子包含膨脹腔室103，第一活塞112延伸經過此膨脹腔室。膨脹子腔室102可被認為是活塞112之第一側面上的膨脹腔室103之即時、但大小可變的態樣。在此範例中，裝置可包含坐落於活塞112之任一側面上的兩個膨脹子腔室102。這些將被稱為第一膨脹子腔室102a及第二膨脹子腔室102b。換句話說，第一膨脹子腔室102a及第二膨脹子腔室102b兩者係坐落在膨脹腔室103內。
第一膨脹子腔室102a及第二膨脹子腔室102b彼此異相180度地操作。也就是說，當第一膨脹子腔室102a正在經歷充注行程時，坐落於活塞112的另一側面上之第二膨脹子腔室102b正在經歷排放行程。此外，當第一膨脹子腔室102a正在經歷排放行程時，坐落於活塞112的另一側面上之第二膨脹子腔室102b正在經歷充注行程。
充注行程及排放行程兩者源自第一活塞112與膨脹腔室103之間的相對運動。遍及軸桿150之一整個旋轉，第一及第二膨脹子腔室將經歷相同的操作，剛好彼此異相180度。如此，在圖8中僅只顯示第一個180度之旋轉，因為於180度與360度之間，第一膨脹子腔室102a的操作由0至180度係與第二膨脹子腔室102b之操作完全相同。第二膨脹子腔室102a的操作由0至180度係與第一膨脹子腔室102b之操作完全相同。
膨脹腔室103可包括第一通孔及第二通孔，以提供與膨脹腔室103的流動連通。膨脹腔室之第一通孔及第二通孔可分別已知為膨脹腔室的入口通孔140及出口通孔142。
流體排量裝置亦可包括壓縮腔室105及兩個壓縮子腔室104(被稱為第一壓縮子腔室104a及第二壓縮子腔室104b)，由於相對壓縮腔室105運動之第二活塞114的相對運動，它們以類似之方式操作。也就是說，第一壓縮子腔室104a及第二壓縮子腔室104b係坐落在壓縮腔室105中。
壓縮腔室105亦可具有第一通孔及第二通孔。壓縮腔室的第一通孔及第二通孔可分別已知為第二腔室之入口通孔144及出口通孔146。
於此範例中，第一轉子156及第一軸桿係可環繞第一旋轉軸線152與第一軸桿150一起旋轉；且第一轉子係可繞著軸心棒繞著第二旋轉軸線154樞轉，以當第一轉子繞著第一旋轉軸線旋轉時允許第一轉子156相對第一活塞112樞轉。在操作中，第一軸線152可為固定式，且第二軸線154環繞第一軸線旋轉。
流體排量裝置可被配置成使得遍及軸桿150繞著第一軸線152的360度旋轉，第一膨脹子腔室102a係於旋轉期間在選定點分別與第一熱交換器或第二熱交換器108流體接觸。也就是說，第一膨脹子腔室102a可相對第一熱交換器106及第二熱交換器108配置，使得其係流體地耦接至第一熱交換器106或第二熱交換器108，且於遍及此軸桿之旋轉的諸多時刻與第一熱交換器106及第二熱交換器108流體地隔離。當第一膨脹子腔室102a係與兩個熱交換器流體地隔離時，可有耦接至剛好一個熱交換器或與兩個熱交換器流體地耦接之時刻。第一壓縮子腔室104a可為以類似的方式配置，因此其係亦在遍及軸桿之旋轉的諸多時刻與第一熱交換器106及第二熱交換器108流體地耦接及流體地隔離。當第一膨脹子腔室104a係與兩個熱交換器流體地隔離時，可有耦接至剛好一個熱交換器或與兩個熱交換器流體地耦接之時刻。
於一些範例中，此裝置包括第一流體排量裝置及如上述的第二流體排量裝置。第二流體排量裝置可為與第一流體排量裝置異相90度或180度。提供第一流體排量裝置及第二流體排量裝置可導致商業或性能優點，可採用多數個子腔室。這些子腔室可為獨立地聯結，並可為相對於時序進行排量，以用互補方式操作。
圖8顯示裝置100當在熱機或熱泵中使用時之循環的範例。圖8欄(i)顯示膨脹腔室103之入口及出口通孔140、142與第一膨脹子腔室102a及第二膨脹子腔室102b的對齊。
圖8欄(ii)顯示此裝置之橫截面。
圖8欄(iii)顯示壓縮腔室105的入口及出口通孔144、146與第一壓縮子腔室104a及第二壓縮子腔室104b之對齊。
圖8行(a)顯示當活塞112、114於一循環中處於額定的0度角位置時之每一子腔室102a、102b、104a、104b的狀態，在此角位置意指繞著第一軸線152旋轉。第一膨脹子腔室102a及第二壓縮子腔室104b處於最小體積，且每一者係準備開始經過充注行程，以允許流體進入其中。第二膨脹子腔室102b及第一壓縮子腔室104a處於最大體積，且每一者係準備開始排放行程。
在循環過程期間，第一膨脹子腔室102a及第一壓縮子腔室104a彼此反相地操作。
亦即，當第一膨脹及壓縮子腔室102a、104a的其中一者經歷充注行程時，另一腔室經歷排放行程。此外，第一及第二膨脹子腔室102a、102b彼此反相地操作，且第一及第二壓縮子腔室104a、104b彼此反相地操作。
圖8行(b)顯示當軸桿150(及因此活塞112、114)於此循環中已旋轉至45度位置時之每一子腔室102a、102b、104a、104b的狀態。
在此階段，第一膨脹子腔室102a經歷充注行程之吸入相位。換句話說，第一膨脹子腔室102a可為與第一熱交換器流體地耦接，以允許流體。膨脹腔室103的入口通孔140可被認為是打開的，且流體可經由膨脹腔室140之入口通孔流入第一膨脹子腔室102a。第一膨脹子腔室102a可於實質上恆定壓力下接收流體。第一膨脹子腔室102a的體積增加以允許流體。
在圖8行(a)與圖8行(b)之間，第一壓縮子腔室104a已開始排放行程的壓縮相位。也就是說，第一壓縮子腔室104a之體積已減少，且第一壓縮子腔室104a內的流體已增加。
如圖8行(b(iii))中所顯示，第一壓縮子腔室104a係於排放行程之壓縮相位期間仍然流體地隔離。在此範例中，這可為由於第一壓縮子腔室104a未與壓縮腔室出口通孔146流體連通。換句話說，壓縮腔室出口通孔146被關閉。
因此，流體係在第一壓縮子腔室104a內壓縮，其增加流體的壓力及溫度。於此壓縮相位中，流體之壓力可增加至第二閾值壓力。
在圖8行(b)中，膨脹腔室出口通孔142係打開至第二膨脹子腔室102b，且壓縮腔室入口通孔144係打開至第二壓縮子腔室104b。流體離開第二膨脹子腔室102b進入第二熱交換器108，且流體從第二熱交換器108進入第二壓縮子腔室104b。因此，當軸桿150旋轉經過圖8行(b)中所顯示的組構時，第二膨脹子腔室102b之體積減少，且第二壓縮子腔室104b的體積增加。
圖8行(c)顯示每一子腔室102a、102b、104a、104b於此循環中旋轉至90度位置之狀態。在圖8行(c)中，第一膨脹子腔室102a現在係流體地隔離。於一範例中，這是由於膨脹腔室入口通孔140與第一膨脹子腔室102a之間的流體連接現在被關閉(亦即膨脹腔室入口通孔140關閉)。第二膨脹子腔室102b持續打開並流體地耦接至第二熱交換器108，使得流體於此階段傳送至第二熱交換器108。
從90度向前，第一壓縮子腔室104a開始打開至壓縮腔室出口通孔146。換句話說，第一壓縮子腔室104a及第一熱交換器106可為從90度流體地耦接。換句話說，壓縮腔室排出口146從90度打開。
第二壓縮子腔室104b保持打開至壓縮腔室入口通孔144。
圖8行(d)顯示每一腔室102a、102b、104c、104d旋轉至此循環中之135度位置的狀態。在此階段，第一膨脹子腔室102a現在係流體地隔離，且正經歷充注行程之膨脹相位。也就是說，隨著第一膨脹子腔室102a係流體地隔離，第一膨脹子腔室102a的體積增加。
第二膨脹子腔室102b係仍然流體地耦接至第二熱交換器，並於排放行程上持續，以使流體傳送至第二熱交換器108。
第一壓縮子腔室104a現在係與第一熱交換器106流體連通，且因此處於排放行程之傳送相位中。換句話說，第一壓縮腔室104a可為與壓縮腔室出口通孔146流體連通。
第二壓縮子腔室104b係仍然與第二熱交換器108流體連通，以由此接收流體。
在180度與360度之間，重複上述過程，但使膨脹子腔室104a、104b顛倒，並使壓縮腔室104a、104b顛倒。
圖9顯示操作建構為熱機或熱泵的熱動力裝置100之方法的流程圖，此熱動力裝置100於流動順序中包含第一熱交換器106、膨脹子腔室102及第二熱交換器108。步驟202有關藉由增加膨脹子腔室102之體積，允許流體流動在吸入壓力下從第一熱交換器106進入膨脹子腔室102。步驟204有關將膨脹子腔室102內的流體與第一熱交換器106流體地隔離。步驟206有關藉由進一步增加膨脹子腔室102之體積來膨脹此膨脹子腔室102內的流體，直至所述流體抵達第一閾值壓力，此第一閾值壓力係小於吸入壓力。步驟208有關將膨脹子腔室102流體地耦接至第二熱交換器108。步驟210有關藉由減少膨脹子腔室102之體積將流體流動傳送出膨脹子腔室102至第二熱交換器108。
在一範例中，流體於壓縮子腔室104內被壓縮。例如，如果離開第二熱交換器的流體係液體，則壓縮子腔室104可作用為泵，可藉由泵來補充，或可藉由泵來取代，以傳送此液體。此泵可使用於將液體從第一閾值壓力傳送至第二閾值壓力，而未經歷壓縮。
在一範例中，上述方法可於替代之正排量機器上操作至上述那些。
100:裝置 101:流體位移裝置 102:膨脹子腔室 102a:第一膨脹子腔室 102b:第二膨脹子腔室 103:膨脹腔室 104:壓縮子腔室 104a:第一壓縮子腔室 104b:第二壓縮子腔室 104c:腔室 104d:腔室 105:壓縮腔室 106:第一熱交換器 108:第二熱交換器 110:管道 112:第一活塞 113:閥門 114:第二活塞 116:飛輪 124:活塞 126:活塞 140:入口通孔 142:出口通孔 144:入口通孔 146:出口通孔 150:軸桿 152:第一軸線 154:第二旋轉軸線 156:第一轉子 200:點 204:點
現在將參考附圖敘述本揭示內容的範例。 圖1顯示理想化之卡諾循環的壓力/體積圖表； 圖2A顯示根據本揭示內容建構為熱機或熱泵之裝置的第一範例之示意圖； 圖2B顯示遍及此裝置的循環之壓力變化的圖表範例； 圖3A顯示圖2之裝置於熱機循環期間的第一點之示意圖； 圖3B顯示圖2的裝置在熱機循環期間之第二點的示意圖； 圖3C顯示圖2之裝置於熱機循環期間的第三點之示意圖； 圖3D顯示圖2的裝置在熱機循環期間之第四點的示意圖； 圖3E顯示圖2之裝置於熱機循環期間的第五點之示意圖； 圖4A顯示流體在一循環期間的典型壓力/體積圖表； 圖4B顯示如圖4A中所顯示之本發明的壓力/體積循環與如圖1中所顯示之卡諾循環/體積循環的壓力比較之重疊； 圖4C顯示流體在一循環期間的典型壓力/焓圖表； 圖4D顯示流體於一循環期間的典型溫度/熵圖表； 圖5A顯示根據本揭示內容之裝置的第二範例在熱機循環期間之第一點的示意圖； 圖5B顯示根據本揭示內容之裝置的第二範例於熱機循環期間之第二點的示意圖； 圖5C顯示根據本揭示內容之裝置的第二範例在熱機循環期間之第三點的示意圖； 圖5D顯示根據本揭示內容之裝置的第二範例於熱機循環期間之第四點的示意圖； 圖5E顯示根據本揭示內容之裝置的第二範例在熱機循環期間之第五點的示意圖； 圖5F顯示根據本揭示內容之裝置的第二範例於熱機循環期間之第六點的示意圖； 圖6A顯示圖2之裝置在熱泵循環期間的第一點之示意圖； 圖6B顯示圖2的裝置於熱泵循環期間之第二點的示意圖； 圖6C顯示圖2之裝置在熱泵循環期間的第三點之示意圖； 圖6D顯示圖2的裝置於熱泵循環期間之第四點的示意圖； 圖6E顯示圖2之裝置在熱泵循環期間的第五點之示意圖； 圖7顯示根據本揭示內容建構為熱泵的裝置之第二範例的示意圖； 圖8顯示根據本揭示內容建構為熱泵或熱機之裝置的第三範例之示意圖；及 圖9顯示此方法的流程圖之範例。
100:裝置
101:流體位移裝置
102:膨脹子腔室
103:膨脹腔室
104:壓縮子腔室
105:壓縮腔室
106:第一熱交換器
108:第二熱交換器
110:管道
112:第一活塞
113:閥門
114:第二活塞
116:飛輪
140:入口通孔
142:出口通孔
144:入口通孔
146:出口通孔

Claims (35)

  1. 一種操作建構為熱機或熱泵之熱力裝置的方法， 該熱力裝置在流動順序中包含一第一熱交換器、一膨脹子腔室、及一第二熱交換器，該方法包含經由該膨脹子腔室將流體從該第一熱交換器傳送至該第二熱交換器，並藉由： 藉由增加該膨脹子腔室的體積，允許一流體流動於一吸入壓力下從該第一熱交換器進入該膨脹子腔室； 將該膨脹子腔室內之該流體與該第一熱交換器流體地隔離； 藉由進一步增加該膨脹子腔室的體積來使該膨脹子腔室內之該流體膨脹，以從該吸入壓力減少該流體的壓力； 將該膨脹子腔室流體地耦接至該第二熱交換器；及 藉由減少該膨脹子腔室之體積使流體傳送出該膨脹子腔室至該第二熱交換器， 其中允許一流體流動於一吸入壓力下從該第一熱交換器進入該膨脹子腔室的過程係實質上等壓的。
  2. 如請求項1的方法，其中該熱力裝置包含一壓縮子腔室，該方法包含： 藉由增加該壓縮子腔室之體積，在一傳送壓力下將流體傳送出該第二熱交換器至該壓縮子腔室。
  3. 如請求項2的方法，包含： 將該壓縮子腔室與該第二熱交換器流體地隔離； 藉由減少該壓縮子腔室之體積來增加該壓縮子腔室內的該流體之壓力。
  4. 如請求項3的方法，包含： 流體地耦接該壓縮子腔室與該第一熱交換器；及 藉由減少該壓縮子腔室之體積，將流體傳送出該壓縮子腔室至該第一熱腔室。
  5. 如請求項3至4中任一項的方法，其中離開該膨脹子腔室之流體的溫度係大約等於離開該壓縮子腔室之流體的溫度。
  6. 如請求項1至5中任一項的方法，其中藉由進一步增加該膨脹子腔室之體積，使該膨脹子腔室內的該流體膨脹之過程係大約絕熱的。
  7. 如請求項1至6中任一項的方法，其中 使流體流動傳送出該第二熱交換器至該壓縮子腔室之過程係實質上等壓的。
  8. 如請求項4至7中任一項的方法，當視請求項3而定時，其中藉由減少該壓縮子腔室之體積來增加該壓縮子腔室內的流體之壓力的過程係大約絕熱的。
  9. 如請求項1至8中任一項的方法，其中該裝置包含一膨脹腔室及一第一活塞，且該膨脹子腔室係藉由該膨脹腔室及該第一活塞所界定之一可變體積態樣
  10. 如請求項9的方法，其中增加該膨脹子腔室之體積以允許來自該第一熱交換器的流體流動進入該膨脹子腔室之步驟於一充注行程的一吸入相位期間發生，其中在該第一活塞與該膨脹腔室之間的一第一方向中有相對運動。
  11. 如請求項10的方法，其中進一步增加該膨脹子腔室之體積的步驟於該充注行程之一膨脹相位期間發生，其中在該第一活塞與該膨脹子腔室之間於該第一方向中有持續的相對運動。
  12. 如請求項10或11的方法，其中藉由減少該膨脹子腔室之體積將流體傳送出該膨脹子腔室至該第二熱交換器的步驟於一排放行程期間發生，在該排放行程中有該第一活塞及該膨脹腔室於一第二方向中之相對運動，該第二方向係與該充注行程中的相對運動之方向相反。
  13. 如請求項11至12的方法，當視請求項3而定時，其中該裝置包含一壓縮腔室及一第二活塞，且該壓縮子腔室係藉由該壓縮腔室及該第二活塞所界定之一可變體積態樣，其中藉由增加該壓縮子腔室的體積在一傳送壓力下將流體流動傳送出該第二熱交換器至該壓縮子腔室之步驟於一充注行程中發生，在該充注行程中有該第二活塞與該壓縮腔室的相對運動。
  14. 如請求項13的方法，其中藉由減少該壓縮子腔室之體積來增加該壓縮子腔室內的流體之壓力的步驟於一排放行程之一壓縮相位中發生，在該排放行程中有該第二活塞於與該壓縮子腔室的該充注行程中之相對運動的方向相反之方向中的相對運動。
  15. 如請求項13或14的方法，其中該第一活塞及該第二活塞係彼此成一體的。
  16. 如請求項10至15中任一項的方法，其中該膨脹子腔室中之流體變得與該第一熱交換器流體地隔離，這在該充注行程中的10%至90%之間的一預定點發生。
  17. 如請求項9至12中任一項的方法，其中該膨脹子腔室及該壓縮子腔室係坐落在一往復式機器內之該第一活塞的任一側上，其中該第一活塞之運動改變該膨脹子腔室及該壓縮子腔室之體積。
  18. 如請求項9至12中任一項的方法，其中該膨脹子腔室及該壓縮子腔室係坐落於不同之往復式機器中。
  19. 如請求項2至5、8或13至18中任一項的方法， 其中該熱力裝置包含一第二膨脹子腔室及一第二壓縮子腔室，該方法包含： 當流體流動被允許及在該第一膨脹子腔室中膨脹時，藉由減少該第二膨脹子腔室之體積，於一傳送壓力下將流體流動傳送出該第二膨脹子腔室至該第二熱交換器。
  20. 如請求項19的方法，包含： 當流體流動被傳送出該第二膨脹子腔室時，藉由增加該第二壓縮子腔室之體積，將流體流動傳送出該第二熱交換器進入該第二壓縮子腔室； 將該第二壓縮子腔室與該第二熱交換器流體地隔離； 藉由減少該第二壓縮子腔室的體積來增加該第二壓縮子腔室內之該流體的壓力。
  21. 如請求項的方法，包含： 將該第二壓縮子腔室與該第一熱交換器流體地耦接；及 藉由持續減少該第二壓縮子腔室之體積將該流體流動傳送出該第二壓縮子腔室至該第一熱交換器，其中這些步驟當流體流動係從該第一膨脹子腔室傳送至該第二熱交換器時發生。
  22. 如請求項1至21中任一項的方法，其中該裝置被建構成作為一熱機作功，且當該流體通過該第二熱交換器時從該流體移除熱量。
  23. 如請求項1至21中任一項的方法，其中該裝置被建構成作為一熱泵作功，且當該流體通過該第二熱交換器時將熱量加至該流體。
  24. 一種建構為一熱機或一熱泵之熱力裝置： 其中該裝置包含一膨脹子腔室，並建構為： 藉由增加該膨脹子腔室的體積允許一流體流動於一吸入壓力下進入該膨脹子腔室； 流體地隔離該膨脹子腔室內之流體； 藉由進一步增加該膨脹子腔室的體積使該膨脹子腔室內之該流體膨脹，以從該吸入壓力減少該流體的壓力； 將該膨脹子腔室流體地耦接至熱交換器；及 藉由減少該膨脹子腔室之體積將流體流動傳送出該膨脹子腔室至該熱交換器； 其中允許一流體流動在一吸入壓力下從該第一熱交換器進入該膨脹子腔室的過程被建構為實質上等壓的。
  25. 如請求項24之熱力裝置包含： 一第一熱交換器；及 一第二熱交換器，其中該流體被允許從該第一熱交換器進入該膨脹子腔室，並從該膨脹子腔室傳送至該第二熱交換器。
  26. 如請求項25之熱力裝置，其中該熱力裝置包含一壓縮子腔室，該裝置被建構為： 藉由增加該壓縮子腔室的體積，使流體流動於傳送壓力下傳送出該第二熱交換器至該壓縮子腔室。
  27. 如請求項26之熱力裝置，其中該裝置被建構為： 流體地隔離該壓縮子腔室與該第二熱交換器； 藉由減少該壓縮子腔室的體積來壓縮該壓縮子腔室內之該流體，以增加該流體的壓力。
  28. 如請求項27之熱力裝置，其中該裝置被建構為： 流體地耦接該壓縮子腔室與該第一熱交換器；及 藉由減少該壓縮子腔室的體積將流體流動傳送出該壓縮子腔室至該第一熱腔室。
  29. 如請求項24至28中任一項之熱力裝置，其中該裝置包含一膨脹腔室及一第一活塞，且該膨脹子腔室係藉由該膨脹腔室及該第一活塞所界定的一可變體積態樣。
  30. 如請求項29之熱力裝置，其中該膨脹子腔室的體積被建構為增加，以允許流體流動於一充注行程之一吸入相位期間從該第一熱交換器進入該膨脹子腔室，在該吸入相位中，於該第一活塞與該膨脹腔室之間在一第一方向中有相對運動。
  31. 如請求項30之熱力裝置，其中該裝置被建構為進一步增加該膨脹子腔室的體積，以於該充注行程之膨脹相位中減少該流體的壓力，在該充注行程中，該第一活塞及該膨脹腔室之相對運動被建構為持續在該第一方向中運動。
  32. 如請求項30或31之熱力裝置，其中該第一活塞被建構為於一排放行程中在一第二方向中相對該膨脹腔室運動，該第二方向係與該第一方向相反，以減少該膨脹子腔室的體積，以將流體流動傳送出該膨脹子腔室至該第二熱交換器。
  33. 如請求項31至32之熱力裝置，當視請求項27而定時，其中該裝置包含一壓縮腔室及一第二活塞，且該壓縮子腔室係藉由該壓縮腔室及該第二活塞所界定的一可變體積態樣，其中該壓縮子腔室之體積被建構為在一充注行程中增加，於該充注行程中有該第二活塞及該壓縮腔室的相對運動。
  34. 如請求項24至33中任一項之熱力裝置，其中該裝置被建構成作用為一熱機，以驅動一動力傳動裝置或產生電力。
  35. 如請求項24至33中任一項之熱力裝置，其中該裝置被建構成作用為一熱泵，該裝置包含一馬達，以驅動該裝置。
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