用于驱动热力设备中的置换器的中心定位线性致动器的制作方法

本发明涉及用于热泵内置换器的线性致动系统的安置。

背景技术：

维勒米尔(vuilleumier)热泵自20世纪初以来就广为人知。如在u.s.1,275,507中所公开的，这种热泵具有两个置换器，它们将内部容积分成热室、暖室和冷室。置换器以90度偏移曲柄驱动。在最近的发展中，热泵中的置换器由机电系统驱动，如共同转让的us9,677,794中所述。在图1中，基于来自’794参考文献的图，热泵100具有在热置换器缸体107内往复运动的热置换器102和在冷置换器缸体106内往复运动的冷置换器104。热置换器缸体107和冷置换器缸体106共用一条中心线108。置换器102和104由机电致动器控制，机电致动器的线性致动器部分布置在热泵100的下半部中。热置换器致动器110和冷置换器致动器120分别耦接至热置换器102和冷置换器104。致动器110和120中的每一个分别具有铁磁斗(bucket)116和126。铁磁斗116和126充当电枢。电枢116具有从圆筒部分向外延伸的板部分，弹簧124穿过该圆筒部分，并且弹簧114耦接至该圆筒部分。弹簧114与热置换器102相关联；弹簧124与冷置换器104相关联。电枢126具有板部分和圆筒部分，弹簧114和124耦接至圆筒部分。在该示例中，弹簧114和124是随着与其耦接的置换器在行程的端部之间移动而在压缩与拉伸之间移动的弹簧。

致动器110在电枢116的两侧具有线圈112和118。当线圈112被激活时，电枢116被朝向线圈112吸引。当线圈112被去激活时，弹簧114使电枢116(和置换器102)向下移动。如果随后激活线圈118，则它将电枢116朝向线圈118吸引。通过将线圈118去激活，弹簧114使电枢116朝向线圈112移动。通过对耦接至置换器102的电枢116进行作用，使得置换器102在缸体106内的行程的两端之间往复运动。类似地，通过审慎地致动布置在电枢126两侧的线圈122和128，使置换器104在其行程的两端之间往复运动。设置弹簧114和126以分别在置换器102和104上施加力，以实现置换器在行程的端部之间的移动。特别是当置换器处在行程的中间部分时，对与置换器相关联的电枢进行作用的线圈的效率远小于置换器更靠近行程的端部时的效率。在冲程的中间，电枢至线圈的电流消耗很高，从而增大了线圈的尺寸，增加了电能损耗，并可能使线圈过热。弹簧提供了很大的力来移动置换器，线圈用于控制行程的最后部分，并使置换器在行程的端部停留期望的持续时间。

在热泵100中，置换器102和104将缸体106和107内的容积分为四个容积：热容积140、热-暖容积142、冷-暖容积144、和冷容积146。桥150将热-暖容积142与冷-暖容积144分开。

除了对热置换器102作用的弹簧114和对冷置换器104作用的弹簧104之外，已发现提供在置换器102与104之间作用的气体弹簧是有利的。气体弹簧的一部分是布置有冷置换器104的容积138。另外，气体弹簧可以包括热置换器102和冷置换器104内的容积。桥150具有柱塞151，其在冷置换器104处在其行程的上端时使容积138几乎为零。冷置换器104在图1中被示出在中间位置处，其中容积138处于中间容积。通过选择柱塞151和轴的横截面积并选择气体弹簧的总容积，气体弹簧中的压力可以帮助置换器102和104的移动。

在热泵100中，置换器102和104将缸体106和107内的容积分为四个容积：热容积140、热-暖容积142、冷-暖容积144、和冷容积146。桥150将热-暖容积142与冷-暖容积144分开。

热置换器102经由耦接器132耦接至与轴134耦接的轴130。轴134耦接至电枢126。电枢126的移动对热置换器102进行移动。冷置换器104经由中空轴136耦接至电枢116。

在图1所示的致动系统中一些不太期望的特征是固有的。通过使轴134在中空轴136内移动(即，同心轴)，会导致不期望的摩擦力。因为轴134非常长，所以它必须具有一定的直径和强度以防止屈曲。临界屈曲载荷与长度的平方成反比。因此，轴的长度越长，则避免屈曲的挑战越大。除了屈曲问题之外，较长的轴还使保持同心度和避免热置换器102在缸体106内翘起变得复杂。另一个问题是很大程度上防止气体在轴134与136之间和在桥150等处流动的气体密封件的数量。这种密封件导致额外的摩擦力。

技术实现要素：

为克服现有技术中的至少一个问题，在置换器之间布置线性致动器。公开了一种热力设备，其具有布置在热置换器缸体中的热置换器和布置在冷置换器缸体中的冷置换器。所述冷置换器缸体的中心轴线与所述热置换器缸体的中心轴线共线。线性致动器部分(section)布置在所述热置换器缸体与所述冷置换器缸体之间。所述线性致动器部分包括热置换器线性致动器和冷置换器线性致动器。

所述热置换器线性致动器包括：在所述线性致动器部分内的第一轴向位置处被布置在所述线性致动器部分内的第一线圈；在所述线性致动器部分内的第二轴向位置处被布置在所述线性致动器部分内的第二线圈；以及布置在所述第一线圈与所述第二线圈之间的热置换器电枢。

所述热力设备的热置换器致动器包括：所述热置换器线性致动器；耦接在所述热置换器线性致动器的电枢与所述热置换器之间的轴；以及布置在所述置换器与所述线性致动器之间的至少一个弹簧。

所述冷置换器线性致动器具有：在所述线性致动器部分内的第三轴向位置处被布置在所述线性致动器部分内的第三线圈；在所述线性致动器部分内的第四轴向位置处被布置在所述线性致动器部分内的第四线圈；以及布置在所述第三线圈与所述第四线圈之间的冷置换器电枢。所述热力设备包括：耦接在所述冷置换器电枢与所述冷置换器之间的冷置换器轴；耦接在所述热置换器电枢与所述热置换器之间的热置换器轴。

在一些实施例中，所述弹簧是拉伸-压缩弹簧，其在第一端耦接至所述置换器，并在第二端耦接至所述热力设备的固定元件。所述线性致动器部分具有第一端板和第二端板；并且所述固定元件为所述第一端板。在其他实施例中，所述至少一个弹簧是布置在所述热泵中的一对压缩弹簧，所述压缩弹簧中的第一个被偏置以在所述热置换器上施加向上的力，并且所述弹簧中的第二个被偏置以在所述热置换器上施加向下的力。

移动所述冷置换器的冷置换器致动器包括：耦接在所述冷置换器线性致动器与所述冷置换器之间的冷置换器轴；在所述线性致动器部分内的第一轴向位置处被布置在所述线性致动器部分内的第一线圈；在所述线性致动器部分内的第二轴向位置处被布置在所述线性致动器部分内的第二线圈；耦接至所述冷置换器轴的冷置换器电枢，所述冷置换器电枢被布置在所述第一线圈与所述第二线圈之间；弹簧，其第一端耦接至所述冷置换器并且第二端耦接至所述热力设备的固定元件。

所述线性致动器部分具有靠近所述冷置换器缸体的第一端板和靠近所述热置换器缸体的第二端板。所述热力设备还具有：耦接至所述热置换器线性致动器的热置换器轴；耦接至所述冷置换器线性致动器的冷置换器轴；在所述第一端板中限定的第一孔口，其中在所述第一孔口中布置了第一密封件；以及在所述第二端板中限定的第二孔口，其中在所述第二孔口中布置了第二密封件。所述热置换器轴穿过所述第一密封件并且所述冷置换器轴穿过所述第二密封件。

通过所述冷轴的通道将所述冷置换器内的容积与所述线性致动器部分内的容积流体地耦接。

所述热置换器轴具有比所述冷置换器轴的直径小的直径。

所述热力设备包括：电耦接至所述第一、第二、第三和第四线圈的功率电子器件模块，以及耦接至所述功率电子器件模块的电子控制单元。

所述热力设备包括：布置在所述热置换器与所述冷置换器之间的气体弹簧，所述气体弹簧部分地由所述线性致动器部分内的充气容积和所述冷置换器内的容积构成。

还公开了一种热泵，其具有布置在热置换器缸体中的热置换器、布置在冷置换器缸体中的冷置换器、耦接至所述热置换器的轴的第一线性致动器、和耦接至所述冷置换器的轴的第二线性致动器。所述第一线性致动器与所述第二线性致动器相邻。所述冷置换器的轴在第一方向上从所述第一线性致动器向外延伸。所述热置换器的轴在第二方向上从所述第二线性致动器向外延伸。第一方向与第二方向相反。

所述热置换器被布置为靠近所述热泵的第一端。所述冷置换器被布置为靠近所述热泵的第二端。所述第一和第二线性致动器被布置在线性致动器部分中。所述线性致动器部分被布置在所述热置换器与所述冷置换器之间。

所述第一和第二线性致动器中的每一个具有：沿着所述热置换器缸体的中心轴线彼此位移并且布置在所述线性致动器部分内的第一和第二线圈、以及电枢。所述电枢具有永磁体和铁磁材料之一。

所述第一线性致动器的电枢耦接至所述热置换器的轴，并且所述第二线性致动器的电枢耦接至所述冷置换器的轴。

所述热泵还包括：电耦接至所述第一和第二线性致动器中的每一个的第一和第二线圈的功率电子器件模块；第一位置传感器，其靠近以下之一：所述热置换器、与所述热置换器相关联的轴、和与所述热置换器相关联的电枢；以及第二位置传感器，其靠近以下之一：所述冷置换器、与所述冷置换器相关联的轴、和与所述冷置换器相关联的电枢。所述热泵还包括电子器件控制单元，其电耦接至所述第一和第二位置传感器并且电耦接至所述功率电子器件模块。

所述热泵包括耦接在所述热置换器与所述冷置换器之间的气体弹簧。在所述线性致动器部件内布置了包括所述气体弹簧的容积的一部分。

耦接至所述热置换器的轴具有比耦接至所述冷置换器的轴小的直径。当所述置换器移动时，所述轴在限定在所述线性致动器部分的端板中的孔口内往复运动。

还公开了一种热泵，其具有布置在热置换器缸体中的热置换器、布置在冷置换器缸体中的冷置换器，所述冷置换器缸体的中心轴线与所述热置换器缸体的中心轴线共线。所述热泵具有耦接至所述热置换器的热置换器致动器，所述热置换器致动器包括热置换器线性致动器和热置换器弹簧。所述热泵还具有耦接至所述冷置换器的冷置换器致动器，所述冷置换器致动器具有冷置换器线性致动器和冷置换器弹簧。所述热置换器和冷置换器线性致动器布置在线性致动器部分中。所述线性致动器部分位于所述热置换器缸体与所述冷置换器缸体之间。

所述线性致动器部分由缸体、第一端板和第二端板界定。所述第一和第二端板每一个具有在其中限定的孔口。所述热泵还包括：布置在所述第一端板的孔口中的第一密封件；布置在所述第二端板的孔口中的第二密封件；耦接在所述热置换器与所述热置换器线性致动器之间的热置换器轴，所述热置换器轴穿过所述第一密封件；以及耦接在所述冷置换器与所述冷置换器线性致动器之间的冷置换器轴，所述冷置换器轴穿过所述第二密封件。

所公开的实施例的优点至少包括：

·更小的轴弯曲；

·消除了一个在另一个内部往复运动的轴的摩擦力；

·更易于组装；

·无需完全拆卸两个端部就可以将热端从冷端移除以进行维修的能力；

·减少了热端与冷端之间的传导；

·改善了轴和置换器的对准；

·减少了密封件的数量(减少了零件数量；更好的整体密封；更易于组装；更少故障机会；以及更低的摩擦力)；以及

·将机电容积用作气体弹簧。

附图说明

图1是用于燃气热泵的线性致动系统的示意图，其中线性致动器处在热泵的一端；

图2是用于热泵的线性致动系统的示意图，其中线性致动器布置在热泵内的两个致动器之间；

图3是线性致动器部分的端板中的孔口中的密封件和穿过孔口的轴的一个实施例的图示；

图4和图5是由两个彼此偏置的压缩弹簧驱动的置换器的图示，分别在置换器的上部位置和置换器的下部位置示出；以及

图6是耦接至热置换器致动器和冷置换器致动器的功率和控制电子器件的图示。

具体实施方式

如本领域普通技术人员将理解的，参考任一附图示出和描述的实施例的各种特征可以与一个或多个其他附图示出的特征结合以产生未明确示出或描述的替代实施例。所示特征的组合为典型应用提供了代表性实施例。然而，对于特定应用或实现，可以预期与本发明的教导相一致的特征的各种组合和修改。不论是否明确描述或示出，本领域普通技术人员都可以认识到类似的应用或实现。

在图2中，热泵10具有包括在热置换器缸体22内往复运动的热置换器12的热置换器部分16。热泵10还具有包括在冷置换器缸体24内往复运动的冷置换器14的冷置换器部分18。为清楚起见，在图1中未示出位于热置换器部分上方的燃烧器部分或其他能量输入部分。

热置换器12由线性致动器致动，该线性致动器包括位于护铁56内的线圈50和52。热置换器12经由轴38耦接至电枢，该电枢包括永磁体54、将磁体54夹在中间的极片55、和盘片51。在一些替代方案中，元件54是一种在受到磁场时被吸引而在没有这种电场时大部分未被磁化的铁磁材料。当线圈50通电时，电枢向上移动，从而使热置换器12向上移动；当线圈52通电时，热置换器12向下移动。该实际运动比当元件54是永磁体时所描述的更为复杂，这是因为磁体54在电流在线圈(50或52)中的一个方向上流动时被吸引，并在电流在相反方向上流动时被排斥。如果使热置换器12在其行程的两端之间移动的能量仅从通电线圈提供，则电能消耗将需要太多电能，从而严重损害热泵10的整体效率。为了提供大部分的力来移动热置换器12，在热置换器12与线性致动器部分8之间(即，具有线圈和磁体或热泵10内的任何固定元件的腔室的部分)布置弹簧34和36。在图1的实施例中，弹簧在热置换器12处于其上部位置(与线性致动器部分8相距最远)时处于拉伸状态，而在热置换器12处于其下部位置时处于压缩状态。因此，弹簧34和36将热置换器12朝向行程的中间附近的位置偏置，并且为热置换器12提供从一端移动至另一端的大部分力。对线圈50和52的电流被激活以牵引热置换器12完成冲程并在接近行程的端部时控制热置换器12的接近速率。

为具有线圈250和252的冷置换器14提供了一种类似的机电一体化系统，线圈250和252被通电以对在护铁256中包括永磁体254的电枢进行作用。电枢(包括永磁体244、极片255和盘片251)经由轴48耦接至冷置换器14。弹簧48布置在冷置换器14与热泵10的固定元件(在本实施例中为热泵10的线性致动器部分8)之间。

图2中的上部线性致动器由端板57和58(它们也用作护铁)界定。下部线性致动器由端板257和258(它们也用作护铁)界定。端板57和端板258将线性致动器部分8与热泵10的其余部分界定开。在操作中，轴38与置换器12和耦接至轴38的电枢一起往复运动。在端板57中设有孔口以容纳轴38；轴48通过端板258中限定的孔口往复运动。

图3中示出了用于通过孔口的往复运动轴的密封系统的一个实施例。端板360中限定有孔口，轴350穿过孔口。提供围绕该孔口的周向凹槽以容纳开口环密封件362，开口环密封件362的外侧具有o形环364。在一个实施例中，弹簧环密封件362由金属材料制成，o形环364由弹性体材料制成。o形环将开口环密封件362推到一起，以使密封件362在很大程度上防止气体在轴350与密封件362之间流动。o形环364还防止气体在密封件362和364后面短路。

热室60由上部圆顶20、热置换器缸体22、和热置换器12的顶部限定。在图2中，热置换器12处于其最低位置，此时在热-暖室中几乎没有容积。热-暖室由线性致动器部分8、热置换器12的底部、和热置换器缸体22限定。冷室66由下部圆顶24、冷置换器缸体26、和冷置换器14的下端限定。冷置换器14被示出为处于其最上方的位置。因此，在图2中看不到冷-暖室。冷-暖室由线性致动器部分8、冷置换器14的顶部、和冷置换器缸体24限定。

除了弹簧34、36和44之外，在置换器12与14之间还设置了气体弹簧。气体弹簧内的容积包括线性致动器部分8内的容积70和72以及冷置换器14内的内部容积270。线性致动器部分8具有根据在电枢的位置上的位置而移动的充气容积70和72。至少由于当在容积70内往复运动时置换气体的轴38，气体弹簧内包含的总容积取决于热置换器12的位置。

由于气体弹簧的容积的一部分包含在线性致动器部分8内，因此，使用在端板57的孔口内往复运动的轴38之间与通过端板258往复运动的轴48之间的密封件来隔离线性致动器部分内的容积。图3示出了密封系统的一个实施例。端板360具有轴350延伸穿过的孔口。图3中的密封系统在端板360中靠近容纳轴350的孔口具有凹槽。在该凹槽中布置o形环364和开口环362。

图4和图5示出了图2所示的弹簧构造的替代方案。在图4中，置换器300耦接至轴302和十字头304。十字头304布置在两个固定元件320与322之间。元件320和322可以与壁324保持在一起。替代地，图4所示的组件安装在具有容纳部以支撑固定元件320和322的热泵中。压缩弹簧330和332分别布置在十字头304与固定元件320之间以及十字头304与固定元件322之间。在图4中，置换器处于上部位置，在该位置弹簧330被压缩。弹簧330以这种构造向下压在十字头304上。在图5中，与图4所示的构造相比，弹簧330的压缩较少，因此在十字头304上的压力较小。弹簧332在图5的构造中被压缩，并在十字头304上施加向上的力。可以使用这样一对压缩弹簧来代替在置换器行程的一端处于压缩状态而在置换器行程的另一端处于拉伸状态的弹簧系统。

将电流供应至线圈以使它们在电枢上施加力。为清楚起见，在图2中未示出实现此目的的电子和电气硬件。而是在图6中以简化形式示出。在图6中，热力设备260(或热泵)的图示具有热置换器262和冷置换器264。线性致动器部分268位于置换器260与262之间。线圈290、292、294和296容纳在268中。热置换器262经由轴耦接至电枢282；冷置换器264经由轴耦接至电枢284。功率电子器件模块270电耦接至线圈290、292、294和296。功率电子器件模块向线圈290、292、294和296提供电流。电耦接至功率电子器件模块270的电子控制单元280提供控制信号至功率电子器件模块270以控制流至线圈的电流的脉冲。ecu280至少基于如下各项来确定要发送到线圈的期望电流：来自热泵的所需加热或冷却输出、来自与热置换器262相关联的位置传感器272的信号、来自与冷置换器264相关联的位置传感器274的信号、以及其他传感器282的信号，其他传感器可以包括用于确定诸如温度和湿度之类的环境条件的传感器以及热泵内的温度和压力传感器。

本发明的各种实施例呈现出优于这种热泵的现有技术构造的优点。以图1所示的构造确定的一个问题是，热置换器缸体与冷置换器缸体之间存在传导。这种传导降低了系统效率。线性致动器部分将热端与冷端分开的图2构造减少了传导损耗。

本构造呈现的优点在于，热泵的热端和冷端经由法兰耦接。如果发现热端或冷端中存在故障，则可以将运行端与热泵的故障端断开，而运行端可以另外保持组装状态。

尽管已经关于特定实施例详细描述了最佳方式，但是本领域技术人员将认识到在所附权利要求的范围内的各种替代设计和实施例。尽管可以将各种实施例描述为关于一个或多个期望特性提供优点或比其他实施例更优选，但是如本领域技术人员所知道的，可以折衷一个或多个特性以实现期望的系统属性，这取决于具体的应用和实现。这些属性包括但不限于：成本、强度、耐用性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、可使用性、重量、可制造性、易于组装等。本文所述的其特征在于在一个或多个特征方面相比其他实施例或现有技术实施不太理想的实施方式不超出本发明的范围，并且对于特定应用而言可能是期望的。