具有位于置换器之间的热交换器的热驱动热泵技术领域
本发明涉及在热驱动热泵中的热交换器的布置。
背景技术
在图1中示出现有技术的维勒米尔(Vuilleumier)热泵5。热置换器1和冷置换器2
由曲柄4驱动。图2中绘出了冷置换器2的上端和热置换器1的下端，二者具有90°的相位差。
置换器在气缸中往复运动，而两个置换器的路径在气缸的中间区域重叠。
在2013年4月11日提交的共同转让的专利申请PCT/US13/36101中公开了一种热驱
动热泵，其中置换器被机电一体地致动。置换器被独立地致动以使得一个置换器在另一置
换器运动的时候可保持静止。在PCT/US13/36101中公开的热泵中，没有一个置换器会往复
运动至另一置换器的冲程内，即，在两个置换器的空间内没有重叠。这与图2中针对曲柄驱
动的维勒米尔热泵所示的运动相反，在图2所示的曲柄驱动的维勒米尔热泵中置换器在空
间上重叠，但并不在时间上重叠以避免置换器碰撞。具有独立致动的置换器的热泵，例如
PCT/US13/36101申请中公开的，提供了在置换器的运动受曲柄几何结构约束的热泵中所不
能达到的机会。
发明内容
为了利用和曲柄运动相关联的现有的维勒米尔热泵上的独立置换器操作所提供
的机会，公开了一种热泵，包括壳体，所述壳体具有：热帽部、冷帽部、邻近所述热帽部的热
气缸部分，以及邻近所述冷帽部的冷气缸部分。所述热泵包括置于所述冷气缸部分内的冷
置换器、置于所述热气缸部分内的热置换器、联接至所述冷帽部并沿着所述冷气缸部分的
中心线朝所述热帽部延伸的柱、以及基本上呈碟形(disk-shaped)的温的热交换器。所述温
的热交换器位于所述冷置换器和所述热置换器之间。所述温的热交换器内限定有开口，以
容纳所述柱。所述温的热交换器内的开口的直径小于所述冷置换器的直径。所述温的热交
换器被收容于温的热交换器气缸部分内。在一些实施方式中，所述热气缸部分、所述冷气缸
部分及所述温的热交换器气缸部分具有相同直径。
所述温的热交换器具有入口和出口，所述入口穿入所述温的热交换器气缸部分，
所述出口穿入所述温的热交换器气缸部分。
在一个实施方式中，所述温的热交换器包括螺旋形包绕的至少一个管道，并且所
述螺旋的相邻圈相隔至多一预设距离。所述热气缸部分和冷气缸部分内的工作流体响应于
所述置换器的运动，流经所述螺旋的相邻圈之间的间隔。替代地，所述温的热交换器包括管
壳式热交换器，所述热气缸部分和冷气缸部分内的工作流体响应于所述置换器的运动，流
经管道之间。替代地，任何适当的热交换器配置可被提供作所述温的热交换器。
所述热泵还可包括热的热交换器、热再生器、冷的热交换器和冷再生器，所述热的
热交换器位于邻近所述热帽部处并且流体联接至所述热气缸部分内的腔室，所述热再生器
的一端流体联接至所述热的热交换器并且一端流体联接至所述冷气缸部分内的腔室，所述
冷的热交换器流体联接至所述冷气缸部分内的冷腔室，所述冷再生器的一端流体联接至所
述冷的热交换器并且一端流体联接至所述热气缸部分内的温热腔室。
所述热置换器的往复运动受到所述热帽部和所述温的热交换器的限制。所述冷置
换器的往复运动受到所述冷帽部和所述温的热交换器的限制。
所述热泵还可包括热的热交换器，其邻近于所述热帽部并流体联接至所述热气缸
部分内的热腔室；冷的热交换器，其流体联接至所述冷气缸部分内的冷腔室；环形的热再生
器，其布置于所述热气缸部分外；以及环形的冷再生器，其布置于所述冷气缸部分外。所述
热再生器的第一端流体联接至所述热的热交换器，所述热再生器的第二端流体联接至所述
冷气缸部分内的温冷腔室。所述冷再生器的第一端流体联接至所述冷的热交换器，所述冷
再生器的第二端流体联接至所述热气缸部分内的温热腔室。
热腔室由所述热帽部、所述热气缸部分和所述热置换器限定边界。冷腔室由所述
冷帽部、所述冷气缸部分和所述冷置换器限定边界。温热腔室由所述温的热交换器、所述热
气缸部分和所述热置换器限定边界。温冷腔室由所述温的热交换器、所述冷气缸部分和所
述冷置换器限定边界。
还公开了一种热泵，包括热泵壳体，所述热泵壳体具有：热帽部、冷帽部、靠近所述
热帽部的热气缸部分，以及靠近所述冷帽部的冷气缸部分。所述热泵具有置于所述冷气缸
部分内的冷置换器、置于所述热气缸部分内的热置换器、以及位于所述热气缸部分和所述
冷气缸部分之间的基本上呈碟形的温的热交换器。所述冷置换器在所述温的热交换器和所
述冷帽部之间往复运动；并且所述热置换器在所述温的热交换器和所述热帽部之间往复运
动。
所述热泵具有联接至所述冷帽部并沿着所述冷气缸部分的中心线朝所述热帽部
延伸的柱。所述温的热交换器内限定有开口，以容纳所述柱。所述温的热交换器内的开口的
直径小于所述冷置换器的直径。
所述热泵还包括：位于邻近所述热帽部处并流体联接至所述热气缸部分的热的热
交换器，一端流体联接至所述热的热交换器并且一端流体联接至所述冷气缸部分的热再生
器，流体联接至所述冷气缸部分的冷的热交换器，以及一端流体联接至所述冷的热交换器
并且一端流体联接至所述热气缸部分的冷再生器。
所述热泵可包括：布置于所述热气缸部分外的环形的热再生器，布置于所述冷气
缸部分外的环形的冷再生器，由所述热气缸部分、所述热置换器和所述热帽部限定边界的
热腔室，由所述热气缸部分、所述热置换器和所述温的热交换器限定边界的温热腔室，由所
述冷气缸部分、所述冷置换器和所述温的热交换器限定边界的温冷腔室，由所述冷气缸部
分、所述冷置换器和所述冷帽部限定边界的冷腔室，流体联接至所述热腔室和所述热再生
器的热的热交换器，以及流体联接至所述冷腔室和所述冷再生器的冷的热交换器。所述热
再生器流体联接至所述热的热交换器和所述温冷腔室。所述冷再生器流体联接至所述冷的
热交换器和所述温热腔室。
在一些实施方式中，热泵还具有置于热帽部内的热的热交换器以及环形地围绕冷
气缸部分布置的冷的热交换器。
根据本发明的实施方式，热泵具有：壳体，壳体具有在壳体一端的热帽部和在壳体
另一端的冷帽部；壳体内的气缸；基本上呈碟形的温的热交换器，其置于壳体内并粗略位于
热帽部和冷帽部之间的中间位置；热置换器，其置于温的热交换器和热帽部之间的气缸部
分内；以及冷置换器，其置于温的热交换器和冷帽部之间的气缸部分内。气缸具有热气缸部
分和冷气缸部分。热腔室由所述热帽部、所述热气缸部分和所述热置换器限定边界。冷腔室
由所述冷帽部、所述冷气缸部分和所述冷置换器限定边界。温热腔室由所述温的热交换器、
所述热气缸部分和所述热置换器限定边界。温冷腔室由所述温的热交换器、所述冷气缸部
分和所述冷置换器限定边界。热泵包括：近似流体连联接至所述热腔室的热的热交换器，流
体联接至所述冷腔室的冷的热交换器，热再生器和冷再生器。所述热再生器的第一端流体
联接至所述热的热交换器，所述热再生器的第二端流体联接至温冷腔室。所述冷再生器的
第一端流体联接至所述冷的热交换器，所述冷再生器的第二端流体联接至温热腔室。
在一些实施方式中，热再生器在热帽部近旁环形地布置于气缸外，而冷再生器在
冷帽部近旁环形地布置于气缸外。
在置换器由曲柄布置驱动的热泵中，除非要将置换器隔开使它们不会与同一空间
重叠，否则温的热交换器不能位于气缸内。这种布置会产生太多的死区容积，并严重降低热
效率。机电一体驱动的热泵允许温的热交换器位于气缸内，而不具有这样大的死区容积。在
现有技术中温的热交换器是在气缸外的环形容积内，相比于现有技术的配置，气缸中的气
体能迅速流动到温的热交换器上方。
本发明的配置的一个优点在于，温的热交换器相比于位于环形容积内的热交换器
更容易制造。换热装置置于通道中的实施方式的另一优点在于，换热装置相比于环形更容
易制造成圆形或其他简单的截面形状。而一些可替代的实施方式的另一优点在于通过消除
连至或自温的热交换器连出的通道来减小死区容积。
图1中的维勒米尔热泵5具有四个热交换器：热的热交换器6、温热的热交换器7、温
冷的热交换器8和冷的热交换器9。当热置换器1向下运动而冷置换器2基本静止(以其最慢
速度运动、接近在其下方位置反向)或者最小地运动时，置换器1和2之间的气体被推动穿过
温热的热交换器7进入热腔室(气缸中热置换器1上方的容积)。当冷置换器2向上运动而热
置换器1基本静止(以其最慢速度运动、接近在其上方位置反向)时，置换器1和2之间的气体
被推动穿过温冷的热交换器8并穿过再生器和冷腔室(气缸中冷置换器2下方的容积)。循环
中有时候，气体被自温热置换器7抽出进入置换器之间的空间，而在另一些时候被自温冷置
换器8抽出进入置换器之间的空间。与若可采用单个热交换器的情况相比具有更多的死区
容积，这在此方面呈现出低效率，简单地说事实就是有两个热交换器以及用于两个热交换
器的成本和复杂性及额外的管道设备。然而，根据本发明的实施方式的其他优点包括：单个
温的热交换器，以及自置换器之间的空间至温的热交换器无管路设备。取而代之的是，气体
直接从单个温的热交换器的一侧流动。
附图说明
图1为现有技术的维勒米尔热泵的示意图，其中置换器由曲柄驱动；
图2为图1的曲柄驱动的置换器的置换器运动的示意图；
图3为具有机电一体致动的置换器的热泵；
图4和图16为根据本发明的实施方式的热泵的示意图；
图5至图15为在一系列置换器位置上的图4的热泵的示意图；
图17和图18为温的热交换器的实施方式的俯视图；以及
图19为根据本发明一种实施方式的热泵的示意图。
具体实施方式
如本领域普通技术人员会理解的那样，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
请的教导一致的各种特征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
术人员可以认识到相似的应用或实施，无论其是否被明确地说明或描绘。
如图3中所示，热驱动热泵300具有壳体302，壳体302在每一端具有热帽部304。壳
体302内为气缸306。在壳体302和气缸306之间的环形空间中，布置有热再生器332、温的热
交换器334、冷再生器336和冷的热交换器338。热置换器312和冷置换器314置于气缸306内
并且限定热腔室320、温腔室322和冷腔室326的边界。柱318联接至冷帽部302。置换器312和
314在ECU 340的控制下在气缸306内往复运动。置换器312和314具有弹簧(未示出)，其使得
置换器分别在上方位置和下方位置之间振动。与置换器312和314相关联的电磁体和铁磁板
也未示出。ECU 340向电磁体提供信号以吸引铁磁板从而在置换器的极端位置之一抓住置
换器。电磁体能止住其相关联的置换器，直至ECU 340指令电磁体断电从而使得置换器得以
在弹簧控制下动作以运动至其另一极端位置。置换器的机电一体控制的更多细节可见于：
2013年4月11日提交的专利申请PCT/US13/36101中。
继续参照图3，能源(未示出)经由热的热交换器330向壳体302内的工作流体提供
能量。当热置换器312向上移动时，气体自热腔室320流入热的热交换器330、流入热再生器
332、流入温的热交换器334，并通过气缸306中的开口344流入温腔室322，以及在热置换器
312向下移动时气体以相反顺序流动。当冷置换器314向下移动时，冷腔室326中的工作流体
通过气缸316中的开口342运动至冷的热交换器338内、冷再生器336内、热的热交换器334
内，并经由气缸306中的开口344进入温腔室332内，以及在冷置换器314向上移动时工作流
体以相反顺序流动。热交换器334和338具有两种交换能量的流体：工作流体和第二流体，例
如液体。在一个实施方式中，热泵提供本地加热，而第二流体为水，水在温的热交换器334中
得到加热。在这样的实施方式中，能量取自提供给冷的热交换器338的流体。在另一实施方
式中，第二流体被提供至冷的热交换器338用于冷却目的。在这样的实施方式中，能量经由
提供至温的热交换器334的另一流体被消耗。用于除工作流体外的流体至热交换器330、334
和338的入口和出口的提供在图3中未示出。
图3的置换器的运动的一个例子在图4中示出。曲线240描绘了热置换器(图3中
312)的底部边缘的运动，而线242示出了冷置换器(图3中314)的上缘的运动。在时刻0，置换
器彼此邻近。在时刻0，止住热置换器的电磁体断电，从而使得热置换器得以向其上方位置
运动。这种运动大致呈正弦曲线状。在时刻a，上方的电磁体通电以抓住并止住热置换器。自
时刻0至a，冷置换器在其上方位置保持静止。在时刻a，抓住冷置换器的电磁体断电，从而使
得冷置换器得以向下运动。在时刻2a，与冷置换器相关联的电磁体抓住冷置换器。自时刻0
至时刻4a，电磁体通电及断电以完成一个循环，并继续。为符合加热或冷却的需要，热置换
器和冷置换器的停留期能够被延长以改变这一循环。
图5中示出了热泵10，热泵10的内部具有在热气缸部分16中往复运动的热置换器
12以及在冷气缸部分17中往复运动的冷置换器14。通过柱18提供控制电磁体(未示出)的电
子控制。柱18自冷帽部38朝热帽部28沿中心线31延伸。热腔室60在热置换器12上方，而温热
腔室62在热置换器12下方。冷腔室66在冷置换器14下方，而温冷腔室在冷置换器14上方。热
的热交换器20邻近热泵10的热帽部28。在一些实施方式中，热的热交换器20可以同燃烧器
相接触。或者，在另一些实施方式中，采用其他能源例如太阳能收集器。温的热交换器40在
温的热交换器气缸部分15内，温的热交换器气缸部分15位于热气缸部分16和冷气缸部分17
之间。温的热交换器40基本上为碟形，尽管在中心具有开口以容纳柱18。流体在具有入口42
和出口44的温的热交换器40的管道内通过。热泵10内的工作流体在置换器12和14运动时经
过温的热交换器40。与通过入口42提供至温的热交换器的流体进行了能量交换。冷的热交
换器30邻近热泵10的冷帽部38。流体在具有入口32和出口34的冷的热交换器30的管道内通
过。当置换器14向下移动时，工作流体在冷的热交换器30的管道外部通过，伴随着气体自冷
腔室66流至通道36进入冷置换器54、进入通道56并流出温热腔室62；以及当置换器14向上
移动时工作流体反过来流动。热再生器50位于气缸16外部并位于通道26和52中。当热置换
器12向上移动时，热腔室60中的气体在热交换器20的外表面上流动进入通道26并穿过热再
生器50及通道52，并流出至下部温交换器64内。
在图5中的实施方式中，气缸15、16、17为相同大小。可替代地，气缸16和17中的一
个气缸具有相比另一个气缸更大的直径。
图6中示出了图5的置换器的运动。热置换器12的运动由曲线244示出，而冷置换器
的运动由曲线246示出。置换器的运动、即曲线240和242与图4中所示的置换器的运动、即曲
线244和246是相同的，除了图5中的置换器的运动相互隔开了温的热交换器的高度250。
在图7至图15中示出了热泵10中的一个循环。在图7中开始，热置换器12处于其下
方位置，而冷置换器14处于其上方位置。
图8中，热置换器12向上运动(如箭头98所示)。热置换器12的运动引起热腔室60中
的气体102通过热交换器20进入通道26(如箭头104所示)，穿过热再生器50进入通道52(如
箭头106所示)，并穿过温交换器40进入温热腔室62(如箭头108所示)。
图9中，热置换器12到达其上方位置，而冷置换器14仍然处于其上方位置。
图10中，冷置换器14向下运动(如箭头120所示)。气体被推动流出冷腔室66(如箭
头122所示)，流入冷的热交换器30流入通道36(如箭头124所示)，流入冷再生器54流入通道
56(如箭头126所示)，流入温热腔室62，穿过温的热交换器40(如箭头128所示)，并最终流入
温冷腔室64。
图11中，冷置换器已到达其下方位置，而热置换器12仍处于其上方位置。
图12中，如箭头140所示，冷置换器12向下运动。气体被推出温热腔室62并穿过温
的热交换器40(如箭头142所示)，进入通道52(如箭头144所示)，进入冷再生器50，进入通道
26(如箭头146所示)，进入热的热交换器20并进入热腔室60(如箭头148所示)。图13中，热置
换器14到达其下方位置，而冷置换器12停留在其上方位置。
图14中，如箭头160所示，冷置换器14向上运动。气体自上方温腔室64受迫穿过温
的热交换器40(如箭头162所示)，流入通道56(如箭头164所示)，进入冷再生器54进入通道
36(如箭头166所示)，穿过冷的热交换器30进入冷腔室66(如箭头168所示)。
图15中，冷置换器14已达到其上方位置，而热置换器停留在其下方位置。当图15中
置换器的位置和图5中示出的初始位置相同时，循环完成。
对气体运动的说明意味着气体完成了一个完整的环路。然而，气体以上述路径运
动，但在置换器的一侧初始的气体并不完成整个路径至置换器的另一侧，而是通过环路的
一部分。
图16描绘了可替代的热泵100的配置，其中再生器同壳体一体。图16中的配置示出
了环形地布置于气缸16外部的热再生器70和环形地布置于气缸17外部的冷再生器74。热泵
100中还示出有管壳式热交换器90。入口92允许液体，例如，流动穿过热交换器90的壳。流体
在94处流出。热泵100中的工作流体在热交换器90的管道内通过。图16中，冷的热交换器31
环形地围绕气缸17布置。冷的热交换器31流体联接至冷再生器74及冷腔室66。被提供至冷
的热交换器31的其他流体具有入口33和出口35。
可替代的两种温的热交换器的气缸的俯视图如图17和图18所示。图17中，与图4至
图15中描绘的热交换器相似的螺旋式热交换器150示出在气缸部分158中。由于在螺旋中心
处的扭转，入口152和出口154均处于螺旋的外围。提供穿过螺旋式热交换器150的开口156，
以容纳载有电导线的柱(图4中所示的元件18)。
管壳式热交换器160与图16中描绘的相似，并示于图18中。热交换器160被包含于
气缸168内。提供有穿过螺旋式热交换器150的开口166以容纳柱。
在图19中的热泵200的实施方式中，再生器250和254沿气缸壁220放置，置换器12
和14在气缸壁中往复运动。热交换器240位于置换器12和14之间。穿过气缸壁220的开口使
热再生器250和腔室62流体连接，但这一开口在热交换器240的底侧。关于冷再生器254，气
缸壁220中有开口以流体连接冷再生器254和腔室62，这一开口在热交换器240的上侧。待加
热的水或其他流体经由入口192被提供至热交换器240并经由出口194流出，其中入口192穿
过热再生器250而出口194穿过冷再生器254。在其他实施方式中，用于热再生器250的下部
分空间和用于冷再生器254的上部分空间实际上是热交换器240的延伸。在这样的实施方式
中，热交换器240，部分处于气缸壁220内，部分处于气缸壁220外。
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所附权利要求书的范围内。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优选的，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使一个或多个性质做出妥协，这
取决于特定的应用和实施。这些特性包括但不局限于：成本、强度、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
个或多个性质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。