1.本发明总体上涉及空气调节和制冷领域，更具体地涉及用于在封闭空间中提供空气调节和制冷的蒸气压缩系统。
背景技术：2.用于住宅、商业建筑、汽车和其他封闭空间的空气调节系统通过使液体制冷剂循环通过蒸气压缩系统来去除空气中的热量。蒸气压缩系统包括输送管道和热交换装置(例如冷凝器和蒸发器)的封闭回路。输送管道将蒸气形式的制冷剂输送到位于待冷却的封闭空间中的蒸发器。蒸发器中的蒸气处于允许其在低温下沸腾至气态的工作压力下。当来自待冷却空间的空气通过蒸发器时，蒸发器中的制冷剂因通过蒸发器的空气的热量而沸腾，从而从该空间吸收热量并将该热量传递给制冷剂。携带热量的制冷剂被吸入压缩机，在压缩机中被置于更大的压力下并经历相变，变成加热的气体，然后通过输送管道泵送到位于不同场所(通常是室外)的冷凝器，其中之前吸收的热量随后被释放到外部大气中，气体在高压下冷凝成蒸气。在室外释放热量之后，蒸气状制冷剂随后被迫使通过节流阀，其中，节流阀的工作压力降低至蒸气状制冷剂在较低温度下沸腾的水平，蒸气状制冷剂之后再循环回到位于待冷却空间中的蒸发器，重复整个过程，直到封闭空间内的空气温度降至期望的更舒适的水平。
3.蒸气压缩系统还广泛用于家用和商用冰箱、用于冷藏或冷冻食品和肉类的大型仓库、冷藏卡车和铁路车辆、以及许多其他商业和工业服务。经常使用大型蒸气压缩制冷系统的众多工业工厂包括炼油厂、石油化工和化学加工厂以及天然气加工厂。
4.制冷剂在整个蒸气压缩系统中循环所经过的路径被称为蒸气压缩循环，该蒸气压缩循环至少包含四个部件，即压缩机、冷凝器、热膨胀阀(也称为节流阀或计量装置)和蒸发器。通过压缩机的操作，制冷剂被加压并穿过蒸气压缩循环。空气通过压缩回路外部的风扇穿过冷凝器和蒸发器，但距冷凝器和蒸发器足够近，以将空气吹入并穿过冷凝器和蒸发器的盘管，使得空气中的热量可被蒸发器吸收并且被冷凝器释放。风扇通常由电动机操作。
5.蒸气压缩系统消耗能量以执行三个功能。需要和消耗能量的第一个功能是为马达提供动力，这些马达使风扇叶片转动，使得空气穿过冷凝器和蒸发器的盘管。需要和消耗能量的第二个功能是为压缩机的马达提供动力，压缩机对制冷剂加压(以使制冷剂经历适当蒸发所需的相变)。第三个功能(也由压缩机执行)是迫使加压的制冷剂穿过蒸气压缩回路中的其余部件(输送管道、热交换器、节流阀和阀)。执行第二个功能和第三个功能的压缩机通常由电动机或由汽车发动机驱动的旋压带(spinning belt)提供动力。
6.在传统的蒸气压缩系统中，使压缩机运行的马达需要并消耗大量的电能或燃料，远远超过使风扇转动的马达需要和消耗的电能或燃料的量。压缩机马达也经常会磨损以及发生故障，因此经常需要维修或更换，这也会非常昂贵。因此，为压缩机提供电能或燃料以及在压缩机最终发生故障时维修或更换压缩机通常是使用和维护用于产生空气调节和制冷的传统的蒸气压缩系统的最昂贵和最令人沮丧的方面。
7.此外，用于使传统压缩机运行的电动马达和内燃机也会产生大量额外的热量，这会抵消和破坏蒸气压缩系统旨在提供的一些冷却效果。例如，据观察，在汽车中使空气调节运行会将汽车的燃油效率(定义为汽车每单位燃油可行驶多远)降低多达百分之六(6％)，因为燃料燃烧能量的很大一部分从提供运动的任务中转出，反而用于压缩制冷剂并驱动制冷剂通过汽车的蒸气压缩循环。
8.因此，迄今为止，使用传统的蒸气压缩系统的益处在某种程度上受到使压缩机的马达运行所需的能量成本以及压缩机马达运行时引入的额外不必要的热量的限制(或抵消)，而空气调节或制冷系统必须更加努力地克服这些问题。因此，空气调节和制冷行业非常需要一种蒸气压缩系统，该系统可减少或消除与压缩制冷剂和迫使制冷剂在蒸气压缩循环中循环相关联的大量费用和额外热量。
技术实现要素：9.热量是地球上最丰富的能源。世界上主要的热源当然是太阳。除了提供自(或源自)太阳的热量以外，大量的热量是作为明火和大量的机器、马达、发动机、人造光、化学过程以及通常在我们周围工作的其他装置和过程的不可避免的废物而产生的。换言之，与空气调节或制冷不同，收集热量通常非常容易且非常廉价。
10.本发明的实施例通过提供一种蒸气压缩系统来减少空调和冰箱运行所需的能量的量，该蒸气压缩系统利用低成本或无成本能源即热源，并使用所利用的热量来为一种称为“爆裂式压缩机”的新型压缩机和一种称为“蒸气泵”的新型泵提供动力。热驱动爆裂式压缩机对制冷剂加压，同时还向蒸气泵提供加压的气态制冷剂，用于驱动蒸气泵的“推拉”操作。由爆裂式压缩机提供的气态制冷剂致动的蒸气泵被配置为抽取已经通过蒸发器的制冷剂并迫使其进入爆裂式压缩机中。
11.从蒸发器排出的制冷剂是低压蒸气和气体的组合。这种混合物在从蒸发器排出后积聚在系统中的接收罐中。接收罐还包含剩余液位的液态制冷剂。现处于气态、汽态和液态的这种制冷剂的低压混合物通过其泵送作用从接收罐被抽取到蒸气泵中，然后被迫进入加热的爆裂式压缩机中，在爆裂式压缩机中，它经历快速的相变，变成加热的气体并且压力急剧增加。加热的气体随后从爆裂式压缩机以爆裂形式被释放，并且该气体进入系统的初级冷凝器并开始移动通过蒸气压缩系统的其他部件的蒸气压缩循环。换言之，本发明的实施例使用热量来提供冷能。由于这种布置，相比于用于空气调节和制冷的传统蒸气压缩系统，构造和布置为根据本发明的实施例运行的蒸气压缩系统能够更有效地提供空气调节和/或制冷并且费用要少得多。
12.总体上，本发明的实施例提供了一种用于冷却封闭空间中的空气的系统，包括：制冷剂；蒸发器，其位于封闭空间内并且可操作以使制冷剂从封闭空间中的空气吸收热量。位于封闭空间外部的冷凝器被配置为允许制冷剂将吸收的热量排放到第二空间中。闭环循环系统流体地连接到蒸发器和冷凝器，并允许制冷剂反复地循环通过蒸发器和冷凝器。流体地连接到闭环循环系统的蒸气泵被配置为重复地将制冷剂从蒸气压缩系统的低压侧的接收罐泵送到爆裂式压缩机中。最后，流体地连接到闭环循环系统和蒸气泵的热驱动爆裂式压缩机通过对制冷剂加压并将加压的制冷剂的一部分喷射到蒸气泵中以作用于其驱动活塞，从而为蒸气泵的运行提供动力，驱动活塞连接到蒸气泵的喷射活塞。将加压的制冷剂喷
射到蒸气泵中使得蒸气泵将低压制冷剂从接收罐抽取到蒸气泵中，然后迫使该制冷剂进入爆裂式压缩机中，在爆裂式压缩机中，它被再次加压并以爆裂形式被释放到冷凝器，在冷凝器中，它再次被冷凝和蒸发以产生更冷的空气。
附图说明
13.包含在说明书中并构成说明书的一部分的附图说明了本发明的优选实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中，相似的附图标记表示相同或功能相似的元件。此外，附图标记的最左侧数字标识第一次出现该附图标记的附图。
14.图1示出了说明构造和配置为根据本发明的示例性实施例运行的蒸气压缩循环的物理部件的高级框图。
15.图2和图3示出了蒸气泵的更详细示图。
16.图4示出了当制冷剂离开用于提供空气调节或制冷的传统蒸气压力回路的传统压缩机、冷凝器和蒸发器时，传统系统中的制冷剂的压力随时间变化所定义的波形图。
17.图5示出了说明当制冷剂离开爆裂式压缩机时冷凝器和蒸发器中的压力变化所定义的波形的图表。
18.图6示出了说明与本发明的实施例中的爆裂式压缩机102的拉动腔106和推动腔108相关联的压力波形的图表。
19.图7示出了说明本发明的一个实施例中的冷凝器、蒸发器、主腔、推动腔和拉动腔的压力波形随时间变化的图表。
20.图8a、图8b、图8c、图8d和图8e分别示出了根据本发明的示例性实施例的爆裂式压缩机800的前视图、左侧视图、俯视图、仰视图和底部、前部和左侧的透视图。
21.图9-14用于进一步举例说明用于空气调节和/或制冷的蒸气压缩系统的各种视图，其中，蒸气压缩系统被布置和配置为根据本发明的一个实施例运行。
22.图15a、图15b和图16示出了举例说明本发明的实施例可如何安装和用于冷却包含热敏设备的单室结构的高级示意图。
23.图16示出了蒸气压缩系统的分解图，说明爆裂式压缩机、初级冷凝器、次级冷凝器和蒸气泵的相对位置，所有这些通常都隐藏在覆盖冷凝器单元的通风外壳下方而无法看到。
24.图17示出了举例说明本发明的实施例可如何安装和用于冷却多室住宅的高级示意图，其中，用于驱动爆裂式压缩机的输入热量是通过收集太阳能来提供的。
25.图18示出了举例说明本发明的实施例可如何安装和用于冷却商业建筑的高级示意图。
26.图19示出了举例说明本发明的实施例可如何安装和用于冷却便携式公寓的高级示意图。
27.图20示出了举例说明本发明的实施例可如何安装和用于冷却汽车乘坐室的高级示意图。
28.图21包含举例说明根据本发明的一个实施例的接线盒的接线图的示意图。
具体实施方式
29.现将详细参考本发明的优选实施例，其示例在附图中示出。
30.如前所述，蒸气压缩系统传统上具有四个部件：压缩机、冷凝器、热膨胀阀(也称为节流阀或计量装置)和蒸发器。循环制冷剂以称为饱和蒸气的热力学状态进入压缩机，并被压缩到更高的压力，从而也引起更高的温度。热的压缩蒸气随后处于称为过热蒸气的热力学状态，并且它处于可利用流过盘管或管道的冷却水或冷却空气来冷凝的温度和压力下。在此处，循环制冷剂从系统排出热量，排出的热量被水流或空气流(视情况而定)通过冷凝器带走。
31.现处于称为饱和液体的热力学状态的冷凝的液态制冷剂接下来通过膨胀阀，其在膨胀阀中经历压力的突然降低。该压力降低引起液态制冷剂的一部分的绝热闪蒸。绝热闪蒸的自动制冷效果将液体和蒸气制冷剂混合物的温度降低到比要制冷的封闭空间的温度低的温度。
32.然后，冷的混合物通过蒸发器中的盘管或管道。在蒸发器中，循环制冷剂吸收并去除热量，热量随后在冷凝器中排出，并通过冷凝器中使用的水或空气转移到其他位置。风扇使封闭空间中的暖空气循环通过盘管或管道，从而传输冷的制冷剂液体和蒸气混合物。暖空气使得冷的制冷剂混合物的液体部分蒸发。同时，循环空气被冷却，从而将封闭空间的温度降低到期望的温度。为了完成制冷循环，从蒸发器排出的制冷剂蒸气再次以饱和蒸气的形式返回到压缩机中。
33.蒸气压缩系统高效运行的关键是使适量的制冷剂作为低压蒸气流过蒸发器。为此，本发明的实施例利用包括称为“爆裂式压缩机(burst compressor)”的特殊的三腔压缩机的蒸气压缩系统来对制冷剂加压。爆裂式压缩机由热源提供动力，该热源被配置为将热量引导到爆裂式压缩机的外壁上以加热爆裂式压缩机内部的制冷剂。该系统优选地包括：多个压力传感器和温度传感器，用于监测爆裂式压缩机中的压力和温度；多个阀，位于蒸气压缩循环中的关键位置以控制制冷剂的流量；以及蒸气泵。
34.蒸气泵包含两个缸，它们由从爆裂式压缩机的三个腔中的两个排出的加压的蒸气驱动，以帮助将制冷剂从蒸气压缩循环“推动”和“拉动”到爆裂式压缩机中。包括逻辑控制器的控制系统可通过信号通信线路连接到系统，并且被配置为基于从多个压力传感器和温度传感器获得的压力读数和温度读数向多个阀发送电子信号以打开和关闭阀。通过向三腔爆裂式压缩机施加热量以及基于蒸气压缩循环中的不同位置处的温度读数和压力读数对阀的策略控制，本发明的实施例使适当质量的制冷剂作为低压蒸气移动通过蒸发器，以便比传统的蒸气压缩系统更有效地产生空气调节和制冷。
35.爆裂式压缩机驱动蒸气压缩循环
36.蒸气泵从位于蒸气压缩系统的低压侧的接收器中抽取制冷剂气体、制冷剂蒸气和液态制冷剂的混合物，并迫使制冷剂的混合物进入爆裂式压缩机的主腔中。一旦处于主腔中，由于来自加热的爆裂式压缩机室的气体的对流加热，制冷剂的状态变成高压气体。制冷剂被俘获在爆裂式压缩机主腔中，直到完成至气体的状态变化。一旦制冷剂处于完全气态并且在爆裂式压缩机主腔的受限体积中处于其最大压力，则打开阀并且将该气体的一部分以爆裂形式释放到系统的初级冷凝器中。由于爆裂式压缩机主腔中的气体的压力大于进入初级冷凝器的气体的压力，因此爆裂式压缩机主腔中的气体流向初级冷凝器的低压区。这
使得蒸气压缩循环开始。在规定质量的制冷剂气体从爆裂式压缩机主腔流到初级冷凝器之后，关闭爆裂式压缩机主腔和初级冷凝器之间的阀，并且爆裂式压缩机主腔再次变成封闭的容积室。
37.次级冷凝器
38.蒸气泵通过将高压制冷剂气体施加到蒸气泵的驱动缸中的驱动活塞的交替侧来驱动。当制冷剂气体被施加到驱动活塞的表面时，随着加压的气体在驱动活塞被加压的一侧填充缸，活塞在驱动缸中被迫到达其冲程的末端。当活塞在缸中行进时，位于驱动活塞的施加加压气体的相反侧的气体被置换。
39.该置换的气体流经阀和管路进入次级冷凝器。在次级冷凝器中，置换的气体从气态变成蒸气状态。然后，蒸气从次级冷凝器进入系统的低压侧的接收罐中。在蒸气泵的驱动活塞移动通过驱动缸的作用下，气体被迫进入次级冷凝器中。次级冷凝器中的气体在冷凝器中变成蒸气状态，其压力高于蒸气压缩系统的低压侧。次级冷凝器用于将置换的气体转化为更稠密的蒸气状态。通过将蒸气而非气体引入接收罐中，由于所有存在的制冷剂都处于其最稠密的状态，系统通过允许更大质量的制冷剂被收集在接收器中而变得更有效。通过允许最大质量的制冷剂积聚，系统通过最有效地利用接收器的体积将低压侧的压力保持在操作规范内而更有效地运行。
40.图1示出了说明构造和配置为根据本发明的示例性实施例运行的蒸气压缩系统100的物理部件的高级框图。如图1所示，本发明的蒸气压缩回路100包括爆裂式压缩机102、初级冷凝器130、节流阀132、蒸发器140、接收罐150、次级冷凝器124、蒸气泵114、以及布置成在蒸气压缩回路100的各个部件之间传输制冷剂的循环管路和阀的网络。为了附图的简单，图1中没有示出控制系统，该控制系统包括逻辑控制器，该逻辑控制器被配置为接收来自传感器的测量值和读数，并且基于这些测量值和读数，自动地产生信号并将信号传送到阀，使阀在正确的时间打开和关闭。然而，应当理解，图1的蒸气压缩系统100所示的阀和传感器电子连接到这样的控制系统(图1中未示出)，该控制系统通常是逻辑控制器控制系统，其在图15和图16中被最佳地示出，并在下面被更详细地讨论。
41.返回图1，爆裂式压缩机102包括三个腔腔，称为主腔104、推动腔106和拉动腔108。爆裂式压缩机102的三腔结构允许同时有效地在爆裂式压缩机102的主腔104、拉动腔106和推动腔108中加热制冷剂(为简单起见，图1中未示出)。外部热源(图1中未示出)将热量110引导到爆裂式压缩机102的外壁112。优选地，外部热源将热量110引导到最靠近爆裂式压缩机102的推动腔106和拉动腔108的外壁112，从而促进所有三个腔的均匀加热。
42.制冷剂作为蒸气进入主腔104。施加到爆裂式压缩机102的外壁112的热量110将爆裂式压缩机102内部的蒸气制冷剂变成气体制冷剂，从而增加所有室内的工作压力。然后，将产生的高压气体制冷剂喷射到蒸气压缩回路(包含初级冷凝器130、节流阀132和蒸发器140)的高压侧，气体制冷剂在此经历冷凝和蒸发，从而将调节的(冷却)空气释放到封闭空间中进行冷却。
43.可使用多种不同的外部热源将热量110引导到爆裂式压缩机102的外壁112上。举例来说，潜在热源的列表可包括例如集中式太阳能装置、明火(可在带有商业烘干机的设施和食品加工设施中找到)、柴油和汽油动力发电机、汽车的内燃机等。取决于情况和环境，其他热源也可能是合适的。
44.推动腔108和拉动腔106均通过循环管道113a和113b流体地连接到双缸蒸气泵114的驱动缸116。位于爆裂式压缩机102的推动腔108中的加压的制冷剂气体被允许流出推动腔108并通过输送管道113a以将设置在驱动缸116内的驱动活塞117从驱动缸116中的下止点位置驱动到驱动缸116中的上止点位置，这使得位于蒸气泵114的喷射缸118中的喷射活塞119随着蒸气泵114中的驱动活塞117的移动而移动，从而迫使位于喷射缸118内的制冷剂移出喷射缸118并进入三腔爆裂式压缩机的主腔102中。图2和图3示出了蒸气泵114的更详细示图。图2示出了活塞117和119处于上止点位置的蒸气泵114的示图，而图3示出了活塞117和119处于上止点位置的蒸气泵114的示图。
45.如图2和图3最佳所示，蒸气泵114包括驱动活塞117，驱动活塞117与在喷射缸118内上下行进的喷射活塞119同步地在驱动缸116内上下行进。扭转变形(活塞在缸内不均匀地运行)可能是由于过热气体对活塞的表面施加压力的动态行为而引起的。扭转变形会导致环漏气的增加和环126和128上的过度磨损。喷射缸118中的三个均匀间隔的垂直连杆109将喷射活塞119固定地连接到驱动活塞117的顶部。三个连杆109的放置防止喷射活塞119在喷射缸118内上下行进时发生扭转变形。带有用于连杆的衬套166和通风孔(为简单起见，附图中未示出)的导向板164确保连杆109正确运行。通风的导向板160允许制冷剂气体在导向板160的上方和下方流动，以始终保持导向板160的两侧的压力相等。
46.在驱动缸116中，三个均匀间隔的垂直连杆107穿过下方密封的导向板164，将驱动活塞117稳定在驱动缸116中，防止驱动活塞117在驱动缸116中行进时发生扭转变形。带有用于第二组连杆107的密封衬套的密封的导向板164确保连杆正确运行。导向板164上的密封件允许在导向板164上方的驱动缸116的区域中实现全压力，以将驱动活塞117从下止点位置向上驱动到上止点位置。
47.两个缸的底部中的制冷剂油161增加了用于连杆107和驱动活塞117上的活塞环126的活塞密封件126和128以及气缸壁的寿命。来自驱动活塞117的任一侧的漏气在驱动活塞117的另一侧被捕获，并在相应的活塞冲程中返回到系统。蒸气泵的上下缸之间的密封衬套162确保连杆164正确运行。密封件衬套162确保在两个泵缸中实现全压以促进泵的有效运行。来自驱动活塞117的任一侧的漏气在驱动活塞117的另一侧被捕获并在相应的活塞冲程中返回到系统。
48.蒸气泵114在其向上和向下的冲程中将制冷剂喷射到爆裂式压缩机102中。通过这样做，它将系统的总占空比减半，使蒸气泵114和系统在蒸气压缩回路中移动制冷剂的效率翻倍。
49.图1、2和3一起说明了当蒸气泵114的驱动活塞117和喷射活塞119被来自推动腔108的制冷剂的压力从下止点位置驱动到上止点位置时，蒸气泵114的喷射活塞119迫使制冷剂蒸气从蒸气压缩回路的低压侧进入爆裂式压缩机102的主腔104。来自拉动腔106的制冷剂气体用于驱动蒸气泵114中的驱动活塞117和喷射活塞119从上止点返回下止点，从而将蒸气从系统低压侧抽回到喷射缸118。
50.蒸气泵114具有双作用配置，这意味着可以向蒸气泵114的推动端口120施加压力，以迫使驱动活塞117和喷射活塞119分别在驱动缸116和喷射缸188内向上移动，并且可以向蒸气泵114的拉动端口122施加压力，以迫使驱动活塞117和喷射活塞119向下。蒸气泵114上的排气口123允许驱动缸116内的“排气”制冷剂进入次级冷凝器124，然后将其注入蒸气压
缩回路100的低压侧。这种安排有助于维持一个封闭的系统，并确保系统内的质量守恒。
51.通常，驱动活塞117需要80到140psi之间的压力施加到其输入端口以将其驱动到其全部容量。由于通过排气口123的制冷剂承受“背压”，即系统发热低压侧的运行压力，因此蒸气泵114上的推动压力和拉动压力通过连接的控制系统的软件(下面将详细讨论)被设置为净120psi。例如，如果系统的低压侧以平均220psi运行，则控制系统将向推动端口120和拉动端口122施加340psi，以产生净120psi的输入从而驱动活塞117和119。
52.在蒸气泵114中的活塞的向上和向下的冲程中，制冷剂被迫进入爆裂式压缩机102的主腔104中。蒸气泵114的双作用配置使其效率是传统的蒸气压缩系统中的标准往复式压缩机的两倍，从而尽可能有效地利用从推动腔108和拉动腔106排出的过热制冷剂气体。
53.如图2和图3最佳所示，蒸气泵114具有活塞环126和128，它们分别附接到驱动活塞117和喷射活塞119的圆周。“漏气”是在活塞的每个冲程中微量的制冷剂气体分别通过活塞117和119的活塞环126和128的状况。通过环逸出的气体是“漏气”气体。蒸气泵114被有利地和有益地设计为捕获漏气气体并将其重新引入系统中，而不会降低系统性能或使制冷剂损失到大气中。
54.施加到爆裂式压缩机102的外壁112的热量110可呈来自收集器的集中太阳能的形式，该收集器例如为在爆裂式压缩机102的外壁112的表面上具有窄带形式的焦点区域的菲涅耳透镜。热量110也可通过来自与内燃机直接接触的爆裂式压缩机102的热传导产生。热量110也可来自与直接火焰的接触，这可在商业烘干机或涉及明火或强热的类似过程中发现。
55.由于本发明的蒸气压缩系统能够使用传统的制冷剂运行，并且在传统的蒸气压缩系统的相当典型的压力下运行，因此我们的系统可集成到现有的蒸气压缩设计中，能够在两种系统之间无缝地来回切换。换言之，用于单个机构的空气调节或制冷系统可被配置为在热量可用并且可用作能量输入以驱动制冷剂通过蒸气压缩循环时使用根据本文描述的本发明的实施例的热量110的应用、三腔爆裂式压缩机和蒸气泵，然后在热量不可用于驱动制冷剂通过蒸气压缩循环时无缝地切换到使用传统蒸气压缩系统和传统电源(例如电动泵和马达)。
56.在典型的蒸气压缩系统中，制冷剂作为高压气体从压缩机排出，然后在通过冷凝器时冷凝成高压蒸气，然后被迫通过节流阀，从而降低节流阀“下游”侧的系统的运行压力。图4示出了说明当制冷剂离开用于提供空气调节或制冷的传统蒸气压力回路的传统压缩机、冷凝器和蒸发器时传统系统中的制冷剂的压力的一组图表。如图4中的图表所示，制冷剂的压力在整个压缩循环中保持相对恒定。
57.然而，在本发明的实施例中，如图5所示的图表所示，制冷剂以高压气体的短暂爆裂形式离开爆裂式压缩机102，该高压气体超过具有传统压缩机的传统系统中的稳态运行压力。该短暂的爆裂随后被切断，并且当高压气体制冷剂通过初级冷凝器130并被冷凝成高压蒸气时，它也被迫通过节流阀132(图1所示)到达系统的低压侧。整个系统的压力紧接在爆裂结束之后达到峰值，并随着气体冷凝并通过蒸气压缩循环100而开始降低。这导致图5所示的锯齿波形，可看到紧接在爆裂之后的峰值压力，以及紧接在下一次爆裂之前的最低压力。峰值之间的时间构成本发明的蒸气压缩系统的单个“占空比”。节流阀132抑制蒸发器134中的压力波形的幅度，从而允许在系统运行期间更多的稳态质量流动。
58.图6示出了说明与本发明的实施例中的爆裂式压缩机102的拉动腔106和推动腔108相关联的压力波形的图表。值得注意的是，在一些实施例中，拉动腔106和推动腔108均可被包含在爆裂式压缩机102的主腔104内。在其他实施例中，拉动腔106和推动腔108可在主腔104之外，但仍完全在爆裂式压缩机102内。拉动腔106和拉动腔108的容积大致相等。主腔102的容积大于其他两个腔的容积。
59.值得注意的是，与使用传统压缩机的传统系统不同，本发明的爆裂式压缩机102由热量(例如被引导到爆裂式压缩机102的外壁112的热量110)提供动力。在运行期间，爆裂式压缩机102的三个腔被连续地加热到高温。在每个占空比期间，来自系统的低压侧的低压低温制冷剂蒸气通过蒸气泵114的喷射缸118内的喷射活塞119被迫进入爆裂式压缩机102中，从而对爆裂式压缩机102进行再充注。低压低温蒸气在爆裂式压缩机102的主腔104中被快速加热，并在主腔104中因添加到它的热能而闪蒸成高压气体。
60.主腔104中的高压气体制冷剂在每个占空比期间被释放三次。第一次释放是在占空比开始时。如前所述，这是高压气体进入初级冷凝器130中的“爆裂”。该爆裂的总经过时间约为占空比的三分之一。紧接在高压气体制冷剂的爆裂进入初级冷凝器130中完成之后，推动腔108中的高压气体通过输送管道113a和推动端口120被送到蒸气泵114，从而将驱动活塞117驱动(推动)到其在驱动缸116中的上止点(tdc)位置。由于喷射活塞119通过三个均匀间隔的垂直杆109固定地连接到驱动活塞117，驱动活塞117的向上移动间接地使得喷射活塞119移动到其上止点(tdc)位置，从而迫使低压低温蒸气离开蒸气泵114的喷射缸118并进入爆裂式压缩机102的主腔104中。紧接在推动循环完成之后，拉动腔106内的高压气体通过管道113b和拉动端口122被送到蒸气泵114，从而将驱动活塞117和喷射活塞119拉回到它们的下止点(bdc)位置。当喷射活塞119被拉回到bdc时，它将低压低温蒸气从蒸气压缩循环的低压侧抽取到喷射缸118中。
61.在循环的中点，在推动功能完成之后，控制系统打开爆裂式压缩机102的主腔104和推动腔108之间的阀2。参见图1。推动腔108在推动操作期间已经部分耗尽，而主腔104刚刚被补充。因此，两个腔之间存在压力差。因此，当室之间的阀2打开时，高压气体和已开始闪蒸成气体的新喷射的蒸气的混合物开始流入推动腔108，对其进行补充。之后，当主腔104和推动腔108之间的压力开始平衡时，阀2关闭。
62.在拉动功能完成之后，控制系统发送打开主腔104和拉动腔106之间的阀3的信号。拉动腔106在拉动操作期间已经部分耗尽，而主腔刚刚被补充。因此，两个腔之间存在压力差。当阀3打开时，高压气体和已开始闪蒸成气体的新喷射的蒸气的混合物开始流出主腔并进入拉动腔106，对拉动腔106进行补充。之后，当主腔104和拉动腔106之间的压力开始平衡时，阀3关闭。值得注意的是，推动腔108和拉动腔106中的制冷剂的气体-蒸气混合物被连续地加热，从而将任何剩余的蒸气完全闪蒸成气体，并且增加了推动腔108和拉动腔106中的压力。
63.如前所述，蒸气泵114具有双重作用，这意味着压力交替地施加到推动端口120然后施加到拉动端口122，以在两个方向上交替地驱动蒸气泵114中的活塞。当气体施加到推动端口120时，位于驱动活塞117的拉动侧的气体从拉动端口122排出。并且当气体施加到拉动端口122时，气体随着驱动活塞117在相反方向上被驱动而从推动端口120排出。该系统是一个封闭系统，因此排出的气体通过次级冷凝器124以使其状态变为蒸气。然后，通过允许
蒸气流入并通过接收罐150，蒸气被输送到系统的低压侧中，然后返回到爆裂式压缩机102的主腔104。图7示出了说明本发明的一个实施例中的冷凝器、蒸发器、主腔、推动腔和拉动腔的压力波形随时间变化的图表。
64.可选的控制系统
65.通常，自动化(计算机化)控制系统将连接到温度和蒸气压缩回路，以便根据温度传感器和压力传感器的读数和测量值来监测蒸气压缩循环的内部和外部运行状况。控制系统通常包括微处理器和存储器。存储器用于存储温度和压力阈值和测量值以及阀的当前状态。控制系统还包括有线或无线连接，该有线或无线连接适用于在微处理器和连接到蒸气压缩循环的传感器和阀之间传送数据和命令。控制系统还包括存储在存储器中的应用程序，该应用程序包括编程模块和编程指令，当由微处理器执行时，它们将使得微处理器执行本文所述的特定功能。
66.例如，存储在控制系统的存储器中的应用程序可包括编程模块和编程指令，以使微处理器监测从空气调节控制面板接收到的冷信号的呼叫，并响应于该冷信号的呼叫，分析爆裂式压缩机是否处于运行所需的最小温度阈值。编程模块和/或编程指令还可被配置为监测、接收和分析来自爆裂式压缩机102的推动腔106和拉动腔108的温度读数和压力读数，将这些读数与预定阈值进行比较以确定何时激活特定阀和/或何时将状态更新和/或错误消息传送到人类可读的输出装置，例如显示屏、仪表板和控制面板。编程模块和指令还可使微处理器优化每个腔中的压力，以允许在关闭之后顺利地重新启动。在重新启动时，控制系统的存储器中的编程指令可被配置为使微处理器分析爆裂式压缩机102的三个腔中的每个腔中的压力，并在必要时发送激活特定阀的信号以在开始正常运行之前纠正缺陷(如果有的话)。编程模块和指令也可被布置为使得当由微处理器执行时，它们将使微处理器确定是否发生了任何系统故障，如果是，则根据系统故障的性质采取适当的纠正措施。图21包含举例说明根据本发明的一个实施例的接线盒的接线图的示意图。
67.图8a、图8b、图8c、图8d和图8e分别示出了根据本发明的示例性实施例的爆裂式压缩机800的前视图、左侧视图、俯视图、仰视图和底部、前部和左侧的透视图。如图8a、图8b和图8c最佳所示，五个连接件从爆裂式压缩机800的顶部延伸。顶部连接件802将主腔104流体地连接到输送管道170(图1所示)，输送管道170将制冷剂供应到初级冷凝器130。顶部连接件803将主腔104流体地连接到输送管道172(图1所示)，输送管道172通过位于爆裂式压缩机800顶部的顶部连接件806将制冷剂供应到拉动腔106。顶部连接件804将主腔104流体地连接输送管道174(图1所示)，输送管道174通过位于爆裂式压缩机800顶部的顶部连接件808将制冷剂供应到推动腔108。
68.如图8d和图8e最佳所示，在爆裂式压缩机800的底部上有三个连接件。底部连接件822将推动腔108流体地连接到输送管道113a(图1所示)，输送管道113a通过推动端口120将制冷剂供应到蒸气泵114的驱动缸116。底部连接件826将拉动腔106流体连接到输送管道113b(图1所示)，输送管道113b通过拉动端口122将制冷剂供应到蒸气泵114的驱动缸116。而且，爆裂式压缩机800上的底部连接件824通过蒸气泵114的喷射缸118上的出口将主腔104流体地连接到输送管道113c。
69.连接到爆裂式压缩机800的外壁的温度换能器812被配置为周期性地检测爆裂式压缩机800的主腔104的温度读数并将温度读数传送到控制系统(附图中未示出)。压力换能
器814、816和818分别连接到爆裂式压缩机800的顶部连接件804、803和802，并且被配置为检测这些位置处的压力读数并将压力读数传送到控制系统。其中，控制系统被配置为至少部分地基于这些温度读数和压力读数来打开和关闭部分排空的阀以及补充爆裂式压缩机800的三个腔，以便为蒸气泵114提供动力，而蒸气泵114又通过蒸气控制回路泵送制冷剂，从而减少或消除使用电力或燃烧驱动马达将制冷剂移动通过回路的需求。
70.图9-14用于进一步举例说明用于空气调节和/或制冷的蒸气压缩系统的各种视图，其中，蒸气压缩系统被布置和配置为根据本发明的一个实施例运行。图9用与图1的图中使用的附图标记一致的附图标记来标记，以进一步说明本发明的蒸气压缩回路的部件，包括爆裂式压缩机102、蒸气泵114、初级冷凝器130、接收罐150、次级冷凝器124、蒸发器140和阀1、2和3。图10用与图1的图中使用的附图标记一致的附图标记来标记，以进一步说明爆裂式压缩机102的顶部连接件802、803和804。图11提供了阀1、2和3的特写视图，阀1、2和3连接到输送管道170、172和174，输送管道170、172和174将爆裂式压缩机102的主腔104分别与初级冷凝器130、拉动腔106和推动腔108连接。图12示出了三通阀4、5、6和7的特写视图，三通阀4、5、6和7连接到将爆裂式压缩机102流体地连接到蒸气泵114的输送管道。图13以特写视图示出了用于主腔102的温度传感器端口1301(未连接传感器)、用于主腔104的压力传感器1302以及用于推动腔106的压力传感器1303。图14示出了三通阀4、5和6以及用于拉动腔106的压力传感器1401的另一个特写视图(从不同的角度)。
71.本发明的实施例可有益地部署，从而为多种不同环境和多种不同行业中的结构和封闭空间提供冷却。这样的结构和封闭空间可包括但不限于单室设备房、多室住宅、商业建筑、便携式公寓和汽车的乘坐室。
72.用于单室设备结构的冷却
73.许多行业使用单室设备房来容纳通常必须保持凉爽才能正常运行的远程电子设备。这方面的示例包括容纳在移动电信天线设施下方的单室设备房中的电信设备，以及容纳在铁路专用道的单室设备房中以控制和监测铁路交通以及铁路和公路交叉口的安全设备。在这两种应用中，设备房中的设备通常必须保持凉爽才能正常运行。对于这种类型的情况，可利用根据本发明的实施例的包括爆裂式压缩机和蒸气泵的基于蒸气压缩的空气调节单元为单室设备房提供冷却，使得当热驱动系统运行时，空气调节系统不会消耗来自电网的电功率以使蒸气压缩系统运行。
74.图15a、图15b和图16示出了举例说明本发明的实施例可如何安装和用于冷却包含热敏设备的单室结构的高级示意图。如图15a最佳所示，单室结构是移动电信行业设备房1503，其通常位于蜂窝电话塔1504附近。图15b示出了用于蒸气压缩系统的冷凝器单元1501的更近视图。包括爆裂式压缩机102和蒸气泵114的蒸气压缩回路位于下方并且通过外壳1501免受元件的影响。通常，包含蒸气压缩系统的冷凝器单元1501安装在结构1503的屋顶上或靠近结构1503的地面上。图16示出了蒸气压缩系统的分解图，说明爆裂式压缩机102、初级冷凝器130、次级冷凝器124和蒸气泵124的相对位置，所有这些通常都隐藏在覆盖冷凝器单元1501的通风外壳下方而无法看到。(为了清楚起见，该图中未示出将蒸气回路中的所有部件彼此流体地连接的输送管道)。
75.为爆裂式压缩机102(其进而产生加压的制冷剂蒸气并将其送到蒸气泵114以驱动活塞117和119)提供动力的热量输入由集中的太阳能提供。更具体地，爆裂式压缩机102从
强热能束获得其热量输入，该强热能束通过通常位于屋顶上的冷凝器单元1501的顶部或邻近冷凝器单元1501的集中式太阳能收集器1502聚焦在爆裂式压缩机102的外壁的表面上。
76.蒸发器140(未示出)位于结构1503内部的蒸发器单元1505中，蒸发器单元1505还包含风扇。这种类型的冷凝器单元1501和蒸发器的组合的典型描述是小型分体式空气调节单元。制冷剂气体通过制冷剂管线组1506在冷凝器单元1501和蒸发器单元1505之间传导。该管线组1506被设计为利用快速连接配件来促进屋顶上的冷凝器单元1501和结构内部的蒸发器单元1505之间的现场连接，该快速连接配件抑制并防止在管线组1506断开连接时管线组1506将制冷剂排放到大气中。通过该快速连接-无排放特征，在安装系统时，无需将系统排空以及重新充电。
77.除了爆裂式压缩机102和蒸气泵114以外，冷凝器单元1501还包含初级冷凝器130和次级冷凝器124、单个冷凝器风扇，单个冷凝器风扇抽取外部环境空气通过初级冷凝器130和次级冷凝器124，从而排出来自冷凝器单元1501的加热的空气。冷凝器单元1501还包含节流阀132和容纳控制系统的接线盒。图21包含举例说明根据本发明的一个实施例的接线盒的接线图的示意图。控制系统通过与管线组1506集成的控制电缆连接到蒸发器单元1505。控制电缆具有快速连接插头，以允许在安装系统时进行快速调试。
78.位于结构内部的恒温器与控制系统通信以提供“冷呼叫”信号和关闭信号，从而允许在结构1503内部保持期望的温度设定点。
79.用于多室住宅的冷却
80.多室住宅经常由电能提供动力的蒸气压缩空气调节系统冷却。这些系统通常由室外冷凝器单元和位于空气处理器单元内部的室内蒸发器组成。空气处理器单元通常连接到结构中的管网系统。
81.图17示出了举例说明本发明的实施例可如何安装和用于冷却多室住宅的高级示意图，其中，用于驱动爆裂式压缩机102的输入热量是通过收集太阳能来提供的。如图17所示，可由混合系统提供冷却，该混合系统由基于蒸气压缩的空气调节单元和传统的电动力空气调节压缩机组成，该空气调节单元包含配置为根据本发明运行的爆裂式压缩机102和蒸气泵114。在这种情况下，混合系统可在集中的太阳能可用作系统的热量输入时的热动力运行和热量不可用时的电动力运行之间无缝地切换。当处于热动力运行模式时，系统不会消耗来自电网的电功率以使蒸气压缩系统运行。
82.对于本发明的该实施方式，爆裂式压缩机102从由集中式太阳能收集器1702聚焦在其表面上的强热能束获得其热量输入。爆裂式压缩机和蒸气泵位于冷凝器单元1701中，冷凝器单元1701通常位于住宅1704的屋顶上或靠近住宅1704的地面上。在图17中，冷凝器单元1701位于邻近住宅1701的地面上。蒸发器位于住宅1704内部的空气处理器单元(未示出)中，该空气处理器单元包括风扇。这种类型的冷凝器单元1701和空气处理器的组合通常被称为中央空气调节单元。制冷剂气体通过制冷剂管线组1703在住宅1704外部的冷凝器单元1701和住宅1704内部的蒸发器之间传导。
83.在本发明的该实施方式中，冷凝器单元1701包含爆裂式压缩机102和蒸气泵114。优选地，冷凝器单元1701还包含次级电动力空气调节压缩机，该次级电动力空气调节压缩机可在热量输入不可用时(例如在晚上)使系统运行。冷凝器单元1701包含初级冷凝器盘管和次级冷凝器盘管、单个冷凝器风扇，该单个冷凝器风扇抽取外部环境空气通过初级冷凝
器盘管和次级冷凝器盘管，并且将加热的空气从冷凝器单元1701排出到外部大气中。节流阀和控制系统均位于住宅内部的空气处理器单元中。图21包含举例说明根据本发明的一个实施例的接线盒的接线图的示意图。
84.位于住宅内部的恒温器通过八股电缆与空气调节单元的控制系统通信，以提供冷呼叫信号和关闭信号，从而允许空气调节单元在住宅内部保持期望的温度设定点。对于住宅安装，容纳热驱动爆裂式压缩机102和传统的电驱动压缩机的混合冷凝器单元可能是优选的或需要的。
85.用于商业建筑的冷却
86.面积为50,000平方英尺或更小的商业建筑经常通过由电能驱动的多个蒸气压缩空气调节系统进行冷却。这些系统通常由位于空气处理器单元内部的室外冷凝器单元和室内蒸发器组成。空气处理器单元通常连接到商业建筑结构中的管网。
87.图18示出了举例说明本发明的实施例可如何安装和用于冷却商业建筑的高级示意图。对于商业建筑应用，可通过混合系统提供冷却，该系统由基于蒸气压缩的空气调节单元组成，该空气调节单元包含爆裂式压缩机102和蒸气泵114。空气调节单元还可包括传统的电动力空气调节压缩机。利用这种布置，混合系统可在集中的太阳能可用于为系统提供热量输入时的热动力运行和热量不可用时的电动力运行之间无缝地切换。当处于热动力运行模式时，系统不会消耗来自电网的电功率以使蒸气压缩系统运行。
88.在该实施例中，爆裂式压缩机从强热能束获得其热量输入，该强热能束通过集中式太阳能收集器聚焦在其表面上。爆裂式压缩机102和蒸气泵114位于冷凝器单元1801的内部，冷凝器单元1801通常位于商业建筑2002的屋顶上或靠近商业建筑1802的地面上。蒸发器位于商业建筑2002内部的空气处理器单元中，每个空气处理器单元包含一个风扇。这种类型的冷凝器单元和空气处理器的组合的典型描述是中央空气调节单元。制冷剂气体通过制冷剂管线组在冷凝器单元和蒸发器之间传导。
89.为了在商业建筑中实施，冷凝器单元2001包含爆裂式压缩机102和蒸气泵114。冷凝器单元2001还可包含次级电动力空气调节压缩机，该次级电动力空气调节压缩机可在热量输入不可用时使系统运行。冷凝器单元1801还可包含初级冷凝器盘管和次级冷凝器盘管、单个冷凝器风扇，该单个冷凝器风扇抽取外部环境空气通过初级冷凝器盘管和次级冷凝器盘管，并且将加热的空气从冷凝器单元排出。每个单元的节流阀和控制系统均位于结构内部的空气处理单元中。位于结构内部的恒温器通过八股电缆与每个空气调节单元的控制系统通信以提供冷呼叫和关闭信号，并与建筑中的其他恒温器一起工作以在结构内部保持期望的温度设定点。
90.用于便携式公寓的冷却
91.图19示出了举例说明本发明的实施例可如何安装和用于冷却便携式公寓的高级示意图。便携式公寓1905用于多种目的，包括容纳在自然灾害现场的临时营地中的作战人员、容纳在自然灾害现场的临时营地中的救援人员、以及为没有其他形式避难所的偏远工作地点的人员提供掩蔽。在许多这些应用中，便携式柴油或汽油发电机提供电力。
92.对于便携式公寓，可利用基于蒸气压缩的便携式空气调节单元为公寓提供冷却，该空气调节单元由热驱动蒸气压缩系统操作，热驱动蒸气压缩系统包括爆裂式压缩机102和蒸气泵114，从而不会消耗发电机功率以使蒸气压缩系统运行。
93.在该实施例中，爆裂式压缩机从为便携式发电机1902提供动力的内燃机的运行产生的热量中获得其热量输入。爆裂式压缩机位于便携式发电机上并且通过与内燃机上的高温表面(例如排气歧管)的直接接触来抽取其热量输入。蒸气泵114(未示出)邻近便携式发电机1902上的爆裂式压缩机102安装。爆裂式压缩机102和蒸气泵114均远离剩余的蒸气压缩空气调节部件，这些剩余的蒸气压缩空气调节部件位于单独的远程定位的冷凝器单元1901中。
94.制冷剂气体通过制冷剂管线组1903在爆裂式压缩机102和远程定位的冷凝器单元之间传导。该管线组被设计为利用快速连接配件来促进现场连接到远程定位的冷凝器单元1901，该快速连接配件抑制并防止在管线组1903断开连接时制冷剂排放到大气中。通过该快速连接-无排放特征，每当爆裂式压缩机104和冷凝器单元1901之间的管线组1903断开连接时，无需将系统排空以及重新充电。每当发电机1902和冷凝器单元1901停用以重新定位然后在新位置重新启用时，管线组1903将断开连接以停用并且重新连接以重新启用。这些活动均不需要将系统排空或重新充电。
95.对于该实施方式，远程定位的冷凝器单元1901可包括初级冷凝器盘管和次级冷凝器盘管、单个冷凝器风扇，该单个冷凝器风扇抽取外部环境空气通过初级冷凝器盘管和次级冷凝器盘管，并且将加热的空气从冷凝器单元101排出。冷凝器单元1901还可包含节流阀和接线盒，该接线盒容纳控制系统(图19中未示出，但在图21中示出)。控制系统通常通过与管线组1903集成的控制电缆连接到爆裂式压缩机102和蒸气泵114。控制电缆具有快速连接插头，以允许冷凝器单元的快速停用和重新定位，以及如果有必要的话在新位置的快速重新启用。
96.用于系统的蒸发器位于冷凝器单元190内部的单独的隔热的蒸发器室(未显示)中。风扇位于隔热的蒸发器室内，该风扇从便携式公寓抽取回风并迫使其通过蒸发器，从而当单元运行时，通过柔性管道1904向便携式公寓供应冷却(调节)的空气。
97.优选地，位于便携式公寓内部的无线恒温器与空气调节单元的控制系统通信以提供冷呼叫和关闭信号。这允许在便携式公寓内部保持期望的温度设定点。
98.用于汽车的乘坐室的冷却
99.用于汽车和其他车辆的乘坐室的空气调节通常由蒸气压缩系统产生，该蒸气压缩系统由空气调节压缩机驱动，该空气调节压缩机由将空气调节压缩机的带轮连接到车辆的内燃机上的带轮的条带提供动力。当发动机带轮旋转时，它会将旋转能量传递给空气调节压缩机的带轮，从而启动压缩机。该布置必然会消耗由内燃机产生的一些功率。
100.图20示出了举例说明本发明的实施例可如何安装和用于冷却汽车乘坐室的高级示意图。对于汽车应用，用于乘坐室的空气调节可由蒸气压缩系统产生，该蒸气压缩系统包含带有集成的蒸气泵的爆裂式压缩机102，从而不会消耗来自车辆内燃机的功率来驱动车辆的蒸气压缩空气调节系统。
101.在该实施例中，爆裂式压缩机2004从为车辆提供动力的内燃机的运行产生的热量中获得其热量输入。爆裂式压缩机2004位于车辆的发动机舱中，并通过与高温表面(例如内燃机的排气歧管)的直接接触来抽取其热量输入。在该实施例中，蒸气泵是爆裂式压缩机内的一个组成部件，以节省发动机舱中的空间。
102.制冷剂气体通过发动机舱中的铝管在爆裂式压缩机2004和初级冷凝器、次级冷凝
器2005之间传导。制冷剂从初级冷凝器流向节流阀2003并从节流阀流向车辆的蒸发器2001。车辆的鼠笼式风扇2002迫使来自乘坐室(未示出)或来自车辆外部的空气通过车辆的蒸发器2001，其在流入乘坐室之前在蒸发器2001中被冷却(调节)。通常，爆裂式压缩机2004的控制系统集成到车辆的气候控制系统控制单元中，该控制单元也可集成到车辆的主计算机控制系统中。
103.上述优选实施例旨在说明本发明的原理，而非限制其范围。本领域技术人员在阅读本公开或实践要求保护的发明时可想到这些优选实施例的各种其他实施例、修改和等同布局。这样的变型、修改和等同布局旨在落入本发明和所附权利要求的范围内。