Двигатель, тепловой насос и устройство охлаждения для двигателя

Двигатель, тепловой насос и устройство охлаждения для двигателя

Реферат

 

Изобретение относится к двигателестроению и позволяет повысить топливную экономичность двигателей и расширить область их использования. Двигатель содержит камеру сжатия, сжимаемый газ и первый поршень для сжатия указанного газа путем перемещения поршня в камеру сжатия, средство привода, приспособленное для привода первого поршня в камеру сжатия для сжатия указанного газа, камеру расширения и второй поршень, обеспечивающий расширение газа в этой камере путем перемещения второго поршня из камеры расширения, средство подачи сжатого газа из камеры сжатия в камеру расширения и средство нагрева, приспособленное к нагреву сжатого газа из камеры сжатия. Средство передачи функционально связаны со вторым поршнем, чтобы обеспечить подвод мощности от двигателя. А средство, образующее струю жидкости в камере сжатия, предназначено для охлаждения газа во время сжатия. 57 з.п.ф-лы, 4 ил. .

Изобретение относится к тепловым двигателям и тепловым насосам, в частности к тепловым двигателям и тепловым насосам, предназначенным для выработки электроэнергии и/или тепла для бытовых приложений, отраслей инфраструктуры, коммерческой обрабатывающей промышленности.

Достижение высокого термического КПД почти всегда является важным соображением в области выработки электроэнергии по той причине, что затраты на топливо как правило составляют около двух третей затрат на выработанную электроэнергию. Помимо мотивации с точки зрения затрат, соображения охраны окружающей среды требуют затрачивать больше усилий на достижение более высоких КПД, чтобы минимизировать выработку диоксида углерода и других нежелательных выбросов.

Вообще говоря, легче достичь большего КПД и меньших выбросов в крупных энергоблоках, чем в малых. Это происходит, в частности, потому, что имеют место тепловые потери, трение и утечки, пропорционально менее значимые в крупных блоках, чем в малых. Преимущества, связанные с крупным масштабом также дают возможность иметь более сложное оборудование на крупных блоках. В случае малых станций стоимость такого оборудования может сделать его применение невозможным.

Несмотря на эти факторы существуют обстоятельства, когда малые энергоблоки нужны, и важно, чтобы они были как можно более эффективными и безвредными для окружающей среды. Эта ситуация возникает во многих частях света, где отсутствует энергосистема. Может произойти так, что строительство электростанции для подачи электроэнергии выходит за рамки финансовых возможностей местного населения, или так, что спрос на электричество слишком мал, чтобы оправдать такое строительство. Первая ситуация возникает во многих менее развитых странах. Последняя ситуация имеет место во многих отдаленных или малонаселенных регионах и на прибрежных островах.

Другая возможность применения двигателей с малыми КПД возникает в связи с комбинированной выработкой тепла и электроэнергии (КВТЭ). Совместное использование тепла и электроэнергии обычно сказывается в более высоком энергетическом КПД, чем при использовании мощности, потребляемой от сети энергосистемы. Поскольку тепло неэкономично передавать на какое-либо значительное расстояние, системы КВТЭ должны быть рассчитаны на местную тепловую нагрузку. Это обычно обуславливает энергоблоки небольших размеров.

Раскрытое здесь изобретение можно применять либо в качестве теплового двигателя, либо, в модифицированном виде, в качестве теплового насоса. Тепловые насосы передают тепло от низкотемпературного источника тепла к высокотемпературному теплоотводу. Например, в холодную погоду тепловой насос может выделять тепло из атмосферного воздуха и перекачивать его для достижения более высокой температуры с целью нагрева здания, наоборот, в жаркую погоду тепловой насос может работать как агрегат для кондиционирования воздуха с целью выделения тепла из внутреннего воздуха здания и выброса его во внешнюю атмосферу, даже в том случае, если температура снаружи здания выше, чем температура внутри. Тепловой насос можно также использовать для охлаждения воздуха, чтобы сконденсировать находящиеся в нем пары воды. Тепло, отводимое от теплового насоса можно затем использовать для восстановления запаса тепла в воздухе. В этом случае тепловой насос используют для осушения воздуха. Как и в случае КВТЭ, тепловые насосы должны иметь размеры, соответствующие местной тепловой нагрузке. Следовательно, наибольшую потребность в тепловых насосах нужно будет удовлетворить скорее в виде малых энергоблоков, чем в виде больших.

Большинство типов теплового насоса, агрегата кондиционирования воздуха или холодильных установок требуют использования испаряющейся/конденсирующейся текучей среды, которая кипит при соответствующей температуре, такой среды, как хлорфторгулероды (ХФУ). Эти вещества известны как разрушители озонового слоя, который защищает жизнь человека и животных от вредного ультрафиолетового излучения. Хотя и известны определенные альтернативы ХФУ, некоторые из них также вызывают разрушение озонового слоя, но - в меньшей степени. Другие альтернативы имеют такие недостатки, как воспламеняемость, токсичность, высокая стоимость, низкие термодинамические свойства, или тенденция к усугублению глобального потепления.

Известны двигатели и тепловые насосы, основанные на цикле Стирлинга. Одна из разновидностей двигателя Стирлинга включает в себя камеру сжатия и камеру расширения, соединенные посредством регенеративного теплообмена и образующие газовое пространство, которое содержит рабочий газ. Согласно идеальному циклу Стирлинга рабочий газ в камере сжатия сжимают поршнем и подвергают изотермическому сжатию, а тепло сжатия отводят в низкотемпературный теплоотвод. После завершения этого процесса рабочий газ нагнетают через регенератор, в котором его подогревают перед вводом в камеру расширения. При расширении к рабочему газу подводят тепло, так что он расширяется изотермически. Горячий расширившийся газ после этого нагнетают обратно через регенератор, которому он отдает свое тепло перед попаданием в камеру сжатия, чтобы начать следующий цикл.

В патенте США N 4148195 раскрыт тепловой насос с тепловым приводом, который требует наличия высокотемпературного источника тепла, такого как сжигание топлива, и другого источника тепла при низкой температуре, такого как атмосферный воздух. Выход тепла происходит при промежуточной температуре. Назначение теплового насоса заключается в том, чтобы преобразовать некоторое количество тепловой энергии при высокой температуре в большее количество тепловой энергии при промежуточной температуре. Это осуществляют путем выделения тепловой энергии из низкотемпературного источника тепла. Раскрытый в патенте США N 4148195 тепловой насос с тепловым приводом представляет собой систему с замкнутым циклом, без клапанов, что приближает ее цикл к циклу Стирлинга. Жидкостные поршни, которые находятся в ряду из четырех взаимосвязанных U-образных трубок и соединены в замкнутый контур, перемещают рабочий газ между соседними камерами расширения и сжатия, образованными в плечах U-образных трубок. Жидкостные поршни передают энергию по замкнутому контуру непосредственно от расширяющегося газа в камере расширения сжимаемому газу в соседней камере сжатия, причем камера расширения и камера сжатия расположены в противоположных плечах одной и той же U-образной трубки. Четыре U-образных трубки соединены посредством газового пространства с регенераторами. Два из четырех регенератора и связанные с ними объемы газа работают в диапазоне температур между высокой температурой и промежуточной температурой. Цикл осуществляют таким образом, что энергия передается посредством среды жидкостных поршней от объемов газа, работающих в области высоких температур, к объемам газа, работающим в области низких температур.

В "21st Inter-society Energy Conversion Engineering Conference", Volume 1 (1986), pages 377 to 382, раскрыт тепловой насос, работающий на принципе теплового цикла Стирлинга, подобный тому, который раскрыт в патенте США 4148195, в котором рабочий газ нагревают или охлаждают путем забора жидкости из жидкостного поршня, нагрева или охлаждения жидкости извне и повторного нагнетания ее в цилиндр расширения или сжатия в виде аэрозоля.

Один из недостатков этих известных тепловых насосов состоит в том, то максимальная рабочая температура высокотемпературного источника тепла очень низка по сравнению с той, которую можно достичь с помощью современных усовершенствованных технологий выработки электроэнергии, таких как использующие газовую турбину с комбинированным циклом. Например, температура, при которой в тепловой насос поступает дополнительное тепло, наиболее вероятно ограничена величиной 400^oC, тогда как температура во впускном отверстии турбины современной газовой турбины для выработки электроэнергии составляет до 1300^oC. Следовательно, КПД преобразования тепла высокой температуры во внутреннюю работу в тепловом насосе с тепловым приводом также мал, как и следовало ожидать из условий теоремы Карно. В результате общий КПД работы очень мал.

Другой недостаток теплового насоса с тепловым приводом, раскрытого в патенте США N 4148195, заключается в том, что жидкостные поршни должны быть очень длинными, чтобы добиться низкой собственной частоты колебаний. Частота колебаний должна быть низкой, так как должно пройти достаточное время, требуемое для теплопередачи между капельным аэрозолем и газом. Требуемую длину жидкостного поршня, в частности, трудно реализовать в малом устройстве, работающем при высоком давлении. Кроме того, потери на трение, возникающие в случае длинных жидкостных поршней, станут, вероятно, неприемлемо высокими в случае малого устройства. Помимо этого, большая величина отношения длины к протяженности хода является обязательным условием для того, чтобы избежать так называемых челночных потерь, возникающих из-за того, что оба конца жидкостного поршня поддерживаются при разных температурах и, следовательно, происходит некоторое смешивание жидкости и носителя тепла.

В патенте США 3608311 раскрыт двигатель, работа которого основана на цикле Карно, в котором газ последовательно сжимается и расширяется в единственном цилиндре жидкостным вытеснителем. Горячую и холодную жидкость из жидкостного вытеснителя попеременно впрыскивают в цилиндр, чтобы нагреть газ в течение части процесса расширения и охладить газ в течение части процесса сжатия.

Один из недостатков этого известного теплового двигателя состоит в том, что выработка энергии за цикл относительно мала, поскольку это требует исключительно высокого коэффициента сжатия для поднятия температуры рабочего газа до оправданной величины во время адиабатического сжатия, а такой коэффициент сжатия невозможно реализовать на практике. Еще один недостаток этого двигателя состоит в том, что рабочий газ совершает непрерывный цикл между высокой и низкой температурами, оставаясь во время всего процесса в одном и том же цилиндре. Поэтому стенки цилиндра также совершают цикл от низкой к высокой температуре и обратно, что обуславливает большие изменения энтропии и уменьшение термодинамического КПД.

В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения предлагается тепловой двигатель, содержащий камеру сжатия, содержащую сжимаемый газ и первый поршень для сжатия указанного газа путем перемещения поршня в камере сжатия, и средство привода, приспособленное для привода первого поршня в камеру сжатия для сжатия указанного газа, камеру расширения и второй поршень, обеспечивающий расширение газа в этой камере путем перемещения второго поршня из камеры расширения, средство подачи сжатого газа из камеры сжатия в камеру расширения и средство нагрева сжатого газа из камеры сжатия, средство передачи, функционально связанное со вторым поршнем с целью отвода мощности от двигателя, и средство, образующее струю жидкости, в камере сжатия для охлаждения сжимаемого в ней газа.

Одним из преимуществ этой компоновки является то, что тепло эффективно отводится в жидкость в струе жидкости при самых низких температурах за цикл теплового двигателя. Кроме того, расширение происходит в отдельной камере, так что температуры в каждой камере и, следовательно, различные части камеры и поршней не совершают цикл между высокими и низкими температурами, за счет чего происходило бы уменьшение КПД.

В предпочтительном варианте осуществления двигатель дополнительно содержит средство дополнительного нагрева газа в камере расширения во время его расширения. Таким образом, процесс расширения может быть приближенно изотермическим.

Средство нагрева предпочтительно включает средство теплообменника, предназначенное для подогрева сжатого газа из камеры сжатия теплом газа, расширенного в камере расширения. Таким образом, расширяя газ изотермически в камере расширения, обеспечивают возможность восстановления части этого тепла в теплообменнике, который используют для подогрева сжатого газа из камеры сжатия перед расширением. Теплообменник может, например, быть регенеративным теплообменником, если расширившийся газ из камеры расширения протекает по тому же пути, что и поступающий сжатый газ из камеры сжатия, или рекуперативным теплообменником, если газы протекают по разным путям. Рекуперативный теплообменник выгоден, в частности, там, где требуется теплообмен между двумя газами, когда смешивание газов нежелательно, и/или два газа поддерживаются при существенно разных давлениях.

Один из вариантов осуществления включает в себя средство возврата расширившегося газа, остающегося в камере расширения, в камеру сжатия для повторного сжатия. Средство возврата может быть отдельным от средства подачи сжатого газа в камеру сжатия, или рабочий газ может перетекать назад и вперед между камерами сжатия и расширения по одному и тому же пути. Варианты осуществления, в которых одно и то же тело рабочего газа непрерывно рециклируется между камерами сжатия и расширения, будут именоваться двигателем с замкнутым циклом. Поскольку рабочий газ герметизирован внутри двигателя, то его можно предварительно сжать таким образом, что минимальное давление, достигаемое газом в течение цикла, гораздо больше атмосферного давления.

В одном из вариантов осуществления двигателя средство дополнительного нагрева газа в камере расширения содержит средство, образующее струю горячей жидкости в камере расширения. Жидкость, используемую в струе, можно нагревать с помощью внешнего теплообменника, а источником тепла может быть тепло от сжигания отходов, например тепло от сжигания промышленных отходов, солнечная энергия или тепло из системы охлаждения камеры сгорания. Использование струи горячей жидкости для передачи тепла в камеру расширения является конкретным преимуществом в случае применения в двигателях с замкнутым циклом источника тепла, который поддерживается при относительно низкой температуре. Жидкостные струи непригодны для использования при высоких температурах.

Другой вариант осуществления включает в себя первое клапанное средство, задействованное для того, чтобы обеспечить доступ воздуха или иного окисляющего газа в камеру сжатия, второе клапанное средство, задействованное для того, чтобы предотвратить возврат газа, находящегося в камере расширения, в камеру сжатия через средство подачи сжатого газа в камеру расширения, и в этом варианте средство дополнительного нагрева содержит средство подачи горячей смеси в камеру сгорания. В этом варианте смесь топлива и горячего сжатого газа в камере расширения воспламеняется, и после расширения продуктов сгорания они вытесняются из двигателя с помощью средства теплообменника. Поэтому в начале каждого цикла необходима свежая порция рабочего газа. Варианты осуществления, в которых рабочий газ обновляется в каждом цикле, будут называться двигателем с незамкнутым циклом. Одна из форм такого варианта осуществления может включать в себя средство контроля скорости потока сжигаемого топлива в камеру расширения для того, чтобы обеспечить по существу изотермическое расширение.

Вообще говоря, предпочтительно, чтобы первый и второй поршни обеспечивали надлежащее уплотнение для рабочего газа, и это, в частности, важно в двигателе с замкнутым циклом. Предпочтительно, первый и/или второй поршни могут содержать жидкость, исключая таким образом затруднения с уплотнением, которые могли бы в противном случае иметь место, если бы поршни были жесткими. Предпочтительный вариант осуществления содержит пару в основном U-образных трубопроводов, каждый из которых содержит тело жидкости в качестве поршня, камеру сжатия, образованную в каждом плече одного трубопровода, и камеру расширения, образованную в каждом плече другого трубопровода, и средство подачи сжатого газа из одной из камер сжатия в одну из камер расширения, а также отдельное средство, подающее сжатый газ из другой камеры сжатия в другую камеру расширения. В этом варианте и расширение, и сжатие происходят дважды за цикл, а синхронизацию жидкостных поршней предпочтительно осуществляют так, что процесс расширения в одной из камер расширения приводит в действие процесс сжатия в одной из камер сжатия. Этого можно достичь путем надлежащего соединения между средством привода и средством передачи. Предпочтительный вариант осуществления содержит другую пару в основном U-образных трубопроводов, вследствие чего при эксплуатации жидкостной поршень в одном U-образном трубопроводе, заключающем в себе камеры расширения, выполнен по существу со сдвигом по фазе 90^o относительно жидкостного поршня в соответствующем U-образном трубопроводе, содержащем другие камеры расширения. Таким образом, следует признать, что такая компоновка в состоянии обеспечить наличие положительной отдаваемой выходной мощности на каждом этапе полного цикла двигателя, устраняя тем самым потребность в маховике или ином средстве поддержания работоспособности двигателя между рабочими тактами.

Когда расширившийся газ нагнетается из камеры расширения за счет перемещения второго поршня в камеру расширения, давление газа увеличивается. Предпочтительный вариант двигателя включает средство подачи жидкостей по меньшей мере при двух разных температурах для использования в жидкостной струе в камере расширения и включает средство образования струи жидкости во время сжатия газа в камере расширения для регулирования температуры газа. Температура жидкостной струи предпочтительно такова, что температура газа остается постоянной при его сжатии. Предпочтительно, чтобы в случае, когда второй поршень содержит жидкость, средство подачи было расположено так, чтобы оно могло обеспечивать подачу жидкости из жидкостного поршня непосредственно в средство образования струи.

После сжатия газа в камере сжатия давление газа уменьшается и газ расширяется в результате перемещения обоих поршней из своих соответствующих камер. Предпочтительный вариант осуществления включает в себя средство подачи жидкостей по меньшей мере при двух разных температурах в жидкостную струю в камере сжатия, а также включает средство образования струи жидкости при расширении газа в камере сжатия для регулирования температуры газа. Предпочтительно, температура жидкостной струи такова, что температура газа остается постоянной при его расширении. Предпочтительно, чтобы в случае, когда первый поршень содержит жидкость, средство подачи было расположено так, чтобы оно могло обеспечить подачу жидкости из первого поршня непосредственно в средство образования струи.

Когда любой из первых поршней содержит жидкость, средство привода может содержать элемент, предназначенный для взаимодействия с первым поршнем таким образом, что движение этого элемента сообщает поршню движение по меньшей мере в одном направлении. Элемент может содержать твердотельный поршень, погружаемый в жидкостный поршень или приспособленный к тому, чтобы плавать на его поверхности. К твердотельному поршню может быть подсоединен вал, проходящий через стенку трубопровода, заключающего в себе жидкостной поршень.

Точно так же, когда любой из вторых поршней содержит жидкость, средство передачи может содержать элемент, предназначенный для взаимодействия со вторым поршнем таким образом, что этому элементу сообщается движение жидкостного поршня по меньшей мере в одном направлении. К твердому поршню может быть подсоединен вал, проходящий через стенку трубопровода, заключающего в себе второй поршень.

Вместо этого, первый и второй поршни могут содержать твердый материал. Один из вариантов осуществления включает в себя пару камер сжатия и пару камер расширения, и при использовании этого варианта поршни в камерах сжатия приспособлены к движению по существу в противофазе друг с другом, и поршни в камерах расширения приспособлены к движению по существу в противофазе друг с другом. В предпочтительном варианте осуществления предусмотрены другая пара камер сжатия и другая пара камер расширения, и при использовании этого варианта поршни в одной паре камер сжатия приспособлены к движению со сдвигом по фазе 90^o относительно поршней в другой паре камер сжатия, и поршни в одной паре камер расширения приспособлены к движению по существу со сдвигом по фазе 90^o относительно поршней в другой паре камер расширения.

Предпочтительно, в двигателе с замкнутым циклом средство теплообменника содержит регенератор. Назначение этого регенератора заключается в том, чтобы эффективно доставлять передаваемое тепло в рабочий газ и отводить тепло из него.

В предпочтительном варианте предусмотрены отделяющие средства для отделения жидкости от газа, покидающего единственную или каждую камеру расширения.

Там, где первый и/или второй поршни содержат жидкость, предпочтительно предусмотрены средства подачи жидкости из жидкостных поршней в единственное или каждое средство, образующее струю жидкости. Предпочтительно средство подачи может включать в себя насос, приводимый в действие соответствующим поршнем.

В одном из вариантов осуществления средство привода включает в себя соединяющее средство, соединенное со средством передачи таким образом, что при использовании этого варианта осуществления первый и второй поршни движутся с заданным сдвигом по фазе. Следует признать, что соединение первого и второго поршней, например с помощью механического средства, такого как коленчатый вал, является обычным способом создания возможности достижения больших коэффициентов сжатия и, в то же время, поддержания фазирования поршней. Сдвиг по фазе между первым и вторым поршнями может быть таким, что второй поршень будет опережать первый по меньшей мере на 90^o. Вместо этого привод поршней может быть независимым, а каждый поршень может быть оснащен средством соединения с внешним приводом, чтобы противопоставить значительные усилия давлениям в соответствующих камерах.

В одном из вариантов осуществления двигатель может дополнительно содержать камеру сгорания для сгорания топлива, при этом средство нагрева содержит средство нагрева сжатого газа из камеры сжатия теплом, проводимым по меньшей мере через одну из поверхностей, ограничивающих камеру сгорания двигателя. Таким образом, настоящее изобретение преимущественно легко можно применить для создания устройства охлаждения обычного двигателя внутреннего сгорания (бензинового, дизельного или газового), которое восстанавливает тепло, как правило, сбрасываемое обычным устройством охлаждения, и превращает это тепло в полезную мощность. В камере сжатия производится холодный сжатый газ, и тепло, потерянное стенками камеры сжатия, передается сжатому газу, чтобы обеспечить охлаждение двигателя. Тот же способ можно использовать и для восстановления тепла из выхлопных газов обычного двигателя внутреннего сгорания, например, путем пропускания каналов охлаждения сжатого воздуха через выхлопной патрубок или путем включения теплообменника, через который должны проходить выхлопные газы. Подогретый сжатый газ затем впрыскивают в камеру расширения, там он расширяется, увлекая поршень из камеры и тем самым производя полезную механическую работу. В одном из вариантов осуществления поршень камеры расширения может быть соединен с внешним выходным приводом двигателя. Эта компоновка имеет преимущество повышения КПД по сравнению с обычными двигателями внутреннего сгорания.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предлагается тепловой насос, содержащий камеру расширения, содержащую расширяющийся газ и первый поршень для обеспечения расширения указанного газа путем перемещения поршня из камеры расширения, камеру сжатия, содержащую сжимаемый газ и второй поршень для сжатия указанного газа путем перемещения второго поршня в камеру сжатия, средство подачи газа из одной из камер расширения и сжатия в другую камеру, и средство, образующее струю жидкости в камере сжатия для поглощения тепла из указанного газа при сжатии, причем второй поршень приспособлен к приводу от внешнего источника энергии для перемещения в камеру сжатия с целью сжатия газа.

Этот вид теплового насоса позволяет передавать перекачиваемое тепло к внешнему теплоотводу исключительно эффективно - посредством вещества жидкостной струи в камере горячего сжатия, и в то же самое время привод насоса может быть осуществлен с помощью, например, механического соединения, от внешнего источника энергии и, в частности от электродвигателя, с целью обеспечения более высокого КПД теплового насоса, чем тот, которого можно достичь с помощью известных тепловых насосов.

Предпочтительно этот вид теплового насоса может осуществлять нагрев или охлаждение либо в замкнутом цикле, либо в незамкнутом цикле. Например, один из вариантов осуществления можно приспособить для кондиционирования воздуха, и в этом варианте воздух нагнетают в камеру сжатия из внешнего источника, сжимают по существу изотермически с помощью жидкостной струи и пропускают в камеру расширения, где он расширяется так, что совершает работу, возвращая часть энергии, использованной для сжатия. Расширение может быть адиабатическим, так что газ расширяется, а охлажденный газ можно затем отводить из теплового насоса для обеспечения кондиционирования воздуха. Вместо этого, другой вариант осуществления теплового насоса может дополнительно включать в себя средство подвода тепла в газ при его расширении в камере расширения таким образом, что расширение является приблизительно изотермическим. Это можно эффективно осуществить, используя жидкостную струю в камере расширения. Тепло поглощается из капель жидкости, это охлаждает ее, а жидкость из охлажденной струи можно использовать для охлаждения, например для кондиционирования воздуха. Впрыскивание струи жидкости в камеру расширения также позволяет эффективно передавать тепло от низкотемпературного источника тепла, так что тепловой насос может перекачивать это тепло в теплоотвод с более высокой температурой - с целью нагрева. Тепловой насос можно модифицировать как для незамкнутого, так и для замкнутого цикла.

В другом варианте осуществления тепловой насос может дополнительно содержать средство теплообменника, приспособленное для подогрева расширившегося газа теплом от сжатого газа, выходящего из камеры сжатия. Это, в частности, предпочтительно в замкнутом цикле, когда один и тот же газ прокачивают назад и вперед между камерами расширения и сжатия.

Предпочтительный вариант осуществления включает в себя соединяющее средство для соединения второго поршня с внешним источником энергии, причем это соединяющее средство приспособлено к созданию значительного усилия для противодействия давлению газа в камере сжатия. Соединение теплового насоса с внешним источником энергии таким образом позволяет допустить гораздо большие давления, следовательно, позволяет достичь гораздо большего коэффициента сжатия в камере сжатия, так что можно перекачивать большее количество тепла на цикл, чем то, которого можно достичь с помощью известных насосов. В то же время, использование такого соединения позволяет сделать тепловой насос компактным, поскольку наличие высоких давлений (и, следовательно, отдаваемой мощности) не сказывается на инерции поршней, которые должны были бы быть относительно массивными и, следовательно, большими по размеру. Соединяющее средство может, например, содержать коленчатый вал.

В предпочтительном варианте осуществления, первый и второй поршни соединены механическим соединяющим средством, например коленчатым валом, так что можно легко регулировать фазирование поршней.

Другое важное преимущество теплового насоса в соответствии с настоящим изобретением заключается в том, что он не требует наличия испаряющейся или конденсирующейся текучей среды, и что его можно использовать, применяя газ, который не конденсируется, и жидкость, которая не испаряется в сколько-нибудь значительной степени. Требования относительно конкретной температуры кипения не накладываются. В самом деле, можно выбрать такой газ, как гелий, и такую жидкость, как воду, которые не наносят вред окружающей среде при выбросе. Это тоже важное преимущество предлагаемого теплового насоса. Дополнительное преимущество отсутствия требований относительно конкретной температуры кипения заключается в том, что тепловой насос может работать в более широком диапазоне температур, чем обычные тепловые насосы.

Тепловой насос может включать в себя любой один или несколько вышеупомянутых предпочтительных признаков в сочетании с тепловым двигателем.

Варианты осуществления теплового двигателя и теплового насоса могут включать в себя любые количества камер расширения и сжатия, причем количества камер расширения и сжатия не обязательно равны.

Теперь примеры вариантов осуществления настоящего изобретения будут описаны со ссылкам на чертежи, на которых: фиг. 1 - принципиальная схема первого варианта осуществления настоящего изобретения, который включает в себя жидкостные поршни и функционирует в замкнутом цикле, фиг. 2 - принципиальная схема второго варианта осуществления настоящего изобретения, который включает в себя жидкостные поршни и функционирует в незамкнутом цикле, фиг. 3 - принципиальная схема третьего варианта осуществления настоящего изобретения, который включает в себя твердотельные поршни и функционирует в замкнутом цикле, и фиг. 4 - принципиальная схема четвертого варианта осуществления настоящего изобретения, который включает в себя твердотельные поршни и функционирует в незамкнутом цикле.

Обращаясь к фиг. 1, отмечаем, что на ней показана пара U-образных трубопроводов 1 и 3, каждый из которых заключает в себе тело жидкости 5 и 7. В каждом плече 13 и 15 одного из U-образных трубопроводов 1 образована камера сжатия 9, 11, а в каждом плече 21, 23 другого U-образного трубопровода 3 образована камера расширения 17. Одна из камер сжатия 9 соединена через регенератор 25 с одной из камер расширения 19, а другая камера сжатия 11 соединена через другой регенератор 27 с другой камерой расширения 17. На практике U-образные трубопроводы, изображенные на фиг. 1, должны быть повернуты каждый на 90^o, будучи обращенными друг к другу, при регенераторах, имеющих одну и ту же длину. Таким образом, два U-образных трубопровода с регенераторами имеют конфигурацию седла и будут именоваться "седлообразным контуром". Двигатель или тепловой насос, состоящий из одной взаимосвязанной массы газа с одним регенератором, одной камерой сжатия и одной камерой расширения, каждая из которых имеет жидкостной или твердотельный поршень и каждая из которых имеет средство для подвода или отвода тепла, именуется "полуседловидным контуром".

В обеих камерах сжатия и обеих камерах расширения предусмотрены струи жидкости. Жидкость, используемую в струях 29 и 31 в камерах сжатия, предпочтительно отводят из тела жидкости в трубопроводе 1, а струи жидкости 33 и 35 в камерах расширения 17 и 19 предпочтительно отводят из жидкости в соответствующем трубопроводе 3. Жидкость, отведенную из трубопровода 1, можно пропускать через охлаждающее устройство (не показано) перед впрыскиванием в камеры сжатия 9 и 11, а жидкость, отведенную из трубопровода 3, можно пропускать через устройство нагрева перед впрыскиванием в камеры расширения 17 и 19. Рабочий газ заполняет пространство, образованное камерами сжатия 9 и 11 и их соответствующими камерами расширения 19 и 17, и посредством этого газа они сообщаются через соответствующий регенератор 25 и 27. Между камерами и соответствующими регенераторами предусмотрены отделители 37, 39, 41 и 43, предназначенные для отвода любой жидкости, имеющейся в рабочем газе, до того, как текучая среда пройдет через соответствующий регенератор.

Каждый U-образный трубопровод 1 и 3 имеет линейный участок 45 и 47, соединяющий соседние плечи. Предусмотрено механическое средство соединенное с каждым поршнем, чтобы передавать мощность к поршням и от поршней. В этом варианте осуществления твредотельный поршень 49 и 51 расположен в каждом из линейных участков трубопровода и может свободно совершать линейное движение вдоль длины этих участков при наличии образованных с каждой стороны жидкостных поршней. К каждому твердотельному поршню 49 и 51 подсоединен ведущий вал 53, 55, проходящий через стенку каждого трубопровода с тем, чтобы обеспечить средство привода или передачи мощности от жидкостных поршней.

Два ведущих вала связаны воедино внешним механизмом привода так, что перемещение каждого поршня изменяется во времени приблизительно по синусоидальному закону, и так, что между поршнями в разных трубопроводах поддерживается заданный сдвиг по фазе. Этого можно достичь, например, соединяя ведущие валы 53 и 55 с коленчатым валом, как это делается в бензиновых или дизельных двигателях.

Двигатель функционирует за счет пропускания рабочего газа через термодинамический цикл, который включает в себя повторяющиеся сжатия и расширения. Сжатие происходит тогда, когда большая часть рабочего газа находится в камере сжатия 9 и 11, тогда как расширение происходит тогда, когда большая часть рабочего газа находится в камере расширения 17 и 19. Этого можно достичь, располагая поршни в камере расширения так, чтобы они опережали поршни в камере сжатия на фазовый угол 90^o. Фазовый угол между поршнями в камерах расширения или камерах сжатия составляет 180^o. При такой компоновке процесс расширения в одной из камер расширения будет приводить в действие процесс сжатия в другой камере сжатия. Например, расширение в камере 19 будет приводить в действие сжатие в камере 11, а расширение в камере 17 будет приводить в действие сжатие в камере 9.

Теперь будет описан один полный цикл работы двигателя в связи лишь с одной камерой сжатия и одной камерой расширения, начиная со сжатия в камере сжатия 9. В начале сжатия жидкостной поршень в камере сжатия 9 находится в нижней точке своего хода, а поршень в камере расширения 19 находится в средней точке своего хода и перемещается вверх. Большая часть рабочего газа, заключенного в камерах сжатия 9 и расширения 19, находится в камере сжатия 9. Поршень сжатия движется в камеру сжатия 9 сжимает рабочий газ до достижения давления газа, обуславливаемого движением поршня расширения в камеру расширения 19. В камеру сжатия впрыскивают холодную жидкость для охлаждения рабочего газа при сжатии. Эту жидкость можно получить, отводя жидкость из холодного жидкостного поршня (т.е., поршня сжатия), а затем - пропуская ее через внешнее устройство охлаждения (не показано) перед впрыскиванием в камеру сжатия. Когда поршень сжатия в камере сжатия 9 находится в средней точке своего хода, поршень расширения в камере расширения 19 находится в верхней точке своего хода и близок к началу перемещения в обратном направлении. Когда поршень сжатия продолжает движение вверх в камере сжатия, сжатие рабочего газа продолжается, но в то же время холодный сжатый газ начинает протекать через регенератор в направлении камеры расширения 19, так что поршень расширения начинает двигаться вниз. Холодный сжаты