斯特林引擎驱动的具有流体互连通道的热泵制造技术

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。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。因此本专利技术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。本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。当本专利技术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，本专利技术完全不需要密封件，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是本专利技术较佳实施例的一线路图，它工作在一加热模式之下；图2是本专利技术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，其中示出了本专利技术较佳实施例的制热及制冷循环。在描述图中所示的本专利技术的较佳实施例时，为清晰起见，将引用特定的术语。但是，本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：DM伯乔维茨，
申请(专利权)人：环球冷却有限公司，
类型：发明
国别省市：NL[荷兰]