一种热机和热泵的制作方法

专利名称：一种热机和热泵的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种热机和热泵，更具体地说，涉及适合于为家庭、服务业、商业和加工业提供动力和/或热量的热机和热泵。
在动力领域中，获得高的热效率始终是一个重要的问题，因为燃料成本通常为所产生的动力价格的三分之二。除了成本因素之外，从环境保护的角度出发也需要付出更大的努力来获得更高的效率，以便减少二氧化碳和其他不需要的排出物的产生。
一般说来，采用大型设备比采用小型设备能够获得更高的热效率并产生较少的排出物，其原因之一是，在大型设备中，热量损失、摩擦、和流体的泄漏与小型设备相比显得不是那么突出。另外，经济因素决定了在大型的设备中有可能采用更为复杂的设备，而在小型设备中，这种复杂设备的价格可能是令人生畏的。
尽管如此，仍然存在许多需要小型动力设备的场合，而且重要的是这样的设备应具有尽可能高的效率并尽可能地符合环境保护的要求。产生这一需要的原因是目前在世界上的许多地方还没有高压输电线路网可供使用。建设一个发电厂来提供电力可能超过了当地的财政能力，或者当地对电力的需要太小，以至于不值得建设这样的发电厂。前一问题存在于许多不发达的国家，而后一问题则存在于边远区域或人口稀少的地方和岛屿。
另一个需要小型高效动力设备的场合同供热与发电相结合(CHP)有关。将供热和动力结合在一起使用与通过高压输电线路网产生动力相比通常可以获得更高的总的能量效率。由于不可能在任何较远的距离上以经济的方式传送热量，CHP系统的大小应适合于当地的热负荷。这意味着需要中等规模的动力设备。
本发明既能用于热机，也能通过一定的变更形式用于热泵。热泵将热量由一个具有较低温度的热源输送到具有较高温度的散热器。例如，在寒冷的季节，一个热泵可以吸收大气中的热量，并将它传递到具有较高温度的场合，用于为建筑物供暖。相反，在炎热的季节，热泵可以用作空调设备，从室内的空气中吸收热量，将它传送到即使是温度值高于室内温度的室外大气中。热泵还可以用于冷却空气，以便冷凝空气中含有的水蒸汽。由热泵排出的热量可以随后被用于恢复空气的热量。在这样的情况下，热泵被用作空气除湿器。作为CHP，热泵的大小应适合于当地热负荷的需要，因此所需要的绝大多数热泵是小型的而不是大型的。
绝大多数的热泵、空调设备或制冷系统需要采用一种蒸发/冷凝流体，它在一个适当的温度上沸腾，例如氯氟烃类(CFC'S)中的一种。众所周知，这样的物质会破坏能够保护人类和动物使之不受紫外线伤害的地球臭氧层。尽管已经知道了一些CFC'S的替换物，但它们中的一些还是会破坏臭氧层的，只不过其破坏程度有所降低而已。另一些替换物则有种种缺点，例如是易燃烧的、有毒的、价格高、热力特性差、或者会增加地球的温室效应等等。
基于STIRLING循环的发动机和热泵是熟知的。在一种形式的STIRLING发动机中包括一个压缩室和一个膨胀室。它们通过一再生式(回热式)换热器连接在一起，形成了容纳工作气体的空间。根据理想的STIRLING循环，压缩室中的工作气体由活塞压缩，进行等温压缩，由压缩所产生的热量排放到一个具有较低温度的散热器。在这一过程完成之后，该冷的工作气体被排出到回热器，在气体进入膨胀室之前对它进行预热。在膨胀室中，通过迫使活塞朝离开膨胀室的方向运动，使热的压缩气体膨胀。在膨胀过程中，需要对工作气体加热，从而使它能够等温地膨胀。热的膨胀气体随后通过回热器被送回，以便在进入压缩室重新开始一个循环之前，在该换热器中释放其热量。
美国专利4148195号公开了一种热驱动式的热泵，它需要一种高温热源，例如燃料的燃烧，和另一种处于较低温度的热源，例如大气。热输出的温度位于上述两个温度之间。该热泵的目的是将一定量的高温热能转换成为更大量的具有中间温度值的热能。这是通过吸收低温热源的热量来实现的。上述美国专利提供的热驱动式热泵是没有采用阀门的一种闭合式循环系统，它与STIRLING循环相似。4个相互连接的U形导管被连接成为一个闭合的回路，各U形导管中装有液体活塞，用于在U形导管的臂上所形成的膨胀室和压缩室之间输送工作气体。该液体活塞将动力沿着该闭合回路直接由膨胀室中的膨胀气体传送给相邻压缩室中的压缩气体，在同一U形导管的一对相对的臂中形成了一个压缩室和一个膨胀室。上述4个U形导管通过其气体空间与换热器相连接。4个换热器中的两个和相应的气体空间在高的温度与中间温度之间的温度范围工作，另外两个换热器和相应的气体空间在低的温度和中间温度之间的温度范围上工作。该循环是以这样的方式来实现的动力通过液体活塞的介质由在高温范围中工作的气体传送到在低温范围中工作的气体。
第21届国际能量转换工程会议的论文集第一卷(1986)的377-382页描述了一种与上述美国专利相类似的STIRLING热驱动热泵，其中通过从液体活塞中提取液体来加热或冷却工作气体，在热泵的外部对提取的液体进行加热或冷却，然后再将它以气悬体形式重新送回膨胀筒或压缩筒。
上述周知之热泵的缺点之一是高温热源的最高工作温度大大低于采用现代先进发电技术，例如采用组合循环的燃气轮机，所能达到的温度。例如，施加给热泵的热量温度最高限于400℃，而现代的发电用燃气轮机的入口温度最高可达1300℃。这样，根据CARNOT(卡诺)定理，在热驱动式热泵中，高温热量转换为内功的效率也是很低的，其结果是使工作的总效率变得很低。
上述美国专利所述的热驱动式热泵的另一个缺点是，为了获得低的固有振荡频率，液体活塞就必须很长。振荡频率必须很低的原因是要让液滴喷射物和气体之间有足够的热交换时间。对一个小型的设备，要在高压工作条件下采用所需长度的液体活塞是非常困难的。同时，在一个小型设备中，采用长的液体活塞所造成的摩擦可能会大到令人不能接受的地步。此外，为了避免所谓的梭动损失(它是由热量从各个液体活塞的一端传递到另一端时所造成的损失)，需要有高的长度-冲程比值。产生上述梭动损失的原因是液体活塞的两端处于不同的温度，因而存在一定的液体混合和热量的传递。
美国专利3608311公开了一种发动机，其工作是基于CARNOT循环，其中气体在一单个的活塞缸中被一个液体活塞连续地压缩和膨胀。来自液体活塞的热的和冷的液体交替地喷射到活塞缸中，在膨胀过程的一部分时间中加热气体，而在膨胀过程的另一部分时间中冷却气体。
这种已知热机的缺点是每一个循环的输出功率相对较低，因为它需要一个特别高的压缩比，以便在绝热压缩过程中将工作气体的温度提高到一个合理的数值，但这样的压缩比实际上不太可能。该发动机的另一个缺点是工作气体连续地在高温和低温之间循环，而且在整个过程中保留在同一个活塞缸中，因而活塞缸的壁也在高温和低温之间循环，这意味着有很大的熵值变化，因而降低了热力效率。
根据本发明的一个组成部分，提供了一种热机，它包括一个用来装盛待压缩的气体的压缩室;一个第一活塞，用于通过该活塞在所述压缩室中的运动来压缩所述气体;用于驱动所述的第一活塞的驱动机构，使之进入所述压缩室中压缩所述的气体;一个膨胀室和一个第二活塞，用于通过使所述第二活塞从所述膨胀室中朝外运动而让气体在该室中膨胀;用于将压缩气体由所述压缩室输送到所述膨胀室的机构;一个加热机构，用于加热来自所述压缩室的压缩气体;一个与所述第二活塞相连接的传动机构，用于输出发动机所产生的动力;以及在所述压缩室中形成液体喷雾的机构，用于冷却在该室中被压缩的气体。
上述热机的一个优点是在热机循环的最低温度值上将热量有效地输送给喷雾中的液体。此外，膨胀是在一独立的室中进行，因此每一个室中的温度不会在高温和低温之间循环，从而每一个室的各个部分以及活塞因而也就不会在高温和低温之间循环，这就避免了效率的降低。
在一种最佳实施方案中，该发动机包括有在膨胀过程中将热量施加给膨胀腔室中的气体的机构。这样，膨胀过程基本上可以等温的方式进行。
上述加热机构也包括一个换热器，利用在膨胀室中膨胀的气体的热量对来自压缩室的压缩气体进行预热。这样，为膨胀室中以等温方式膨胀的气体提供了一个在换热器中回收这一部分热量的机会，该换热器是用于在来自压缩室的压缩气体进行膨胀之前对该气体进行预热的。如果来自膨胀室的膨胀气体沿着与来自压缩室的压缩气体相同的流动路径流动，则上述换热器可以(例如)是再生式换热器;如果气体沿着不同的路径流动，则上述换热器可以是间壁式换热器。当需要在两种气体之间进行热交换，同时又不希望两种气体混合在一起时，或者两种气体具有显著不同的压力时，特别适合于采用间壁式换热器。
一种实施方案包括将离开膨胀室的膨胀气体送回到压缩室的机构作再压缩。该送回机构可以是不同于将压缩气体输送到膨胀室的输送机构的单独的机构，不然，工作气体沿着相同的路径在压缩室和膨胀室之间往复地流动。这种以同一工作气体连续地在压缩室和膨胀室之间循环流动的发动机被称为是闭式循环发动机。由于工作气体被密封在发动机中，对该气体可以进行预压缩，从而在循环周期中由气体所获得的最小压力远大于大气压力。
在发动机的一种实施方案中，用于对膨胀室中气体施加热量的机构是在膨胀室中形成热液体喷雾的机构。用于喷雾的液体可以用一个外部的换热器来加热，其热源可以是废热，例如工业废热、太阳能或来自燃烧室冷却系统的热量。当用于具有一较低温度之热源的闭式循环发动机时，采用热液体喷雾将热量传送到膨胀室中是特别有利的。液体喷雾不适合于在非常高的温度下采用。
另一种实施方案包括第一阀门，用于让空气或其他氧化气体进入压缩室;第二阀门，用于防止膨胀室中的气体通过将压缩气体输送到膨胀室中的机构回到压缩室，其中所述的施加热量的机构包括为所述膨胀室提供燃料的机构。在这一实施方案中，膨胀室中的燃料和热压缩气体的混合物被点燃，在气体膨胀之后，燃烧产物经过换热器由发动机中排出。由此在每一个循环开始时需要输入新的工作气体。每一个循环要对工作气体进行更新的发动机被称为开式循环发动机。这种实施方案的一种形式可以包括控制燃料流入膨胀室的流速的机构，以便实现一个基本上等温的膨胀过程。
一般说来，最好由上述第一和第二活塞对工作气体提供一种良好的密封，这一点对于闭式循环发动机来说显得特别重要。第一和/或第二活塞最好由液体构成，它消除了由固体材料制作活塞所带来的密封困难。本发明的一个最佳实施方案包括一对U形导管，每一个导管内装有作为活塞的液体，在一个导管的每一个臂上形成一压缩室，而在另一导管的每一个臂上形成一个膨胀室;将其中一个压缩室中的压缩气体输送到一个膨胀室的输送机构，以及将另一个压缩室中的压缩气体输送到另一个膨胀室中的输送机构。在这一实施方案中，每一个循环周期进行两次压缩和两次膨胀，而液体活塞的正时最好能与使一个膨胀室中的膨胀过程驱动一个压缩室中的压缩过程。这可通过驱动装置和传动装置的适当连接来实现。一种最佳实施方案包括另一对U形导管，在使用过程中，让包含膨胀室的一个U形导管中的液体活塞与包含另一个膨胀室的相应U形导管中的液体活塞在相位上相差90度。这一方案的优点是，在发动机一个完整循环周期的每一阶段都能提供净输出功率，从而不必要采用飞轮或其他机构来维持发动机在功率冲程之间的运转。
通过第二活塞朝膨胀室之中的运动将膨胀气体由膨胀室中排出时，气体的压力增加。本发明的一种最佳实施方案包括能够为膨胀室中的液体喷雾提供至少两种不同温度液体的机构，并包括在膨胀室的气体压缩过程中形成液体喷雾的机构，用于控制气体的温度。液体喷雾的温度最好是使气体能在压缩过程中保持恒定的温度。如果第二活塞是一种液体活塞，上述提供机构最好直接将液体活塞中的液体输送到上述喷雾形成机构。
当气体在压缩室中进行压缩之后，由于两个活塞都由其相应的室中运动出来，气体的压力下降，从而使气体膨胀。一种最佳实施方案包括为压缩室中的液体喷雾提供至少两种不同温度液体的机构，并包括在压缩室的气体膨胀过程中形成液体喷雾的机构，用于控制气体的温度。液体喷雾的温度最好是使气体温度在膨胀过程中保持恒定。如果第一活塞是液体活塞，上述机构最好直接将第一液体活塞中的液体输送到上述形成液体喷雾的机构。
当任何一个第一活塞是液体活塞时，所述驱动机构可以包括一个与第一活塞相配合的部件，该部件的运动使该活塞产生至少在一个方向上的运动。上述部件可以是一个固体活塞，可以将它浸入到液体活塞之中，或使它浮在液体活塞的表面上。该固体活塞可以和一个穿过包含液体活塞之导管的壁的轴相连接。
类似地，当任何一个第二活塞是液体活塞时，所述传动机构可以包括一个与第二活塞相配合的部件，该部件的运动使该活塞产生至少在一个方向上的运动。上述部件可以是一个固体活塞，可以将它浸入到液体活塞之中，或浮在液体活塞的表面上。该固体活塞可以和一个穿过包含了液体活塞之导管的壁的轴相连接。
此外，第一和第二活塞可以由固体材料制成。在一种实施方案中包括一对压缩室和一对膨胀室，在使用过程中，压缩室中的活塞相互以逆相位运动，膨胀室中的活塞也以逆相位运动。在一种最佳实施方案中，包括另一对压缩室和另一对膨胀室，在使用过程中，一对压缩室中的活塞与另一对压缩室中的活塞在相位上大致相差90度，一对膨胀室中的活塞与另一对膨胀室中的活塞在相位上也大致相差90度。
在闭式循环发动机中，所述换热器最好是一个回热器。采用该回热器的目的是使热量能够有效地传给工作气体或由气体传出。
在一种最佳实施方案中采用了分离器，用于分离来自一个或每一个膨胀室的气体中所包含的液体。在采用闭式循环的实施方案中，也可以提供一个分离器来分离来自一个或每一个膨胀室的气体中所包含的液体。
当第一和/或第二活塞是液体活塞时，最好设置一个为形成液体喷雾的机构提供来自液体活塞的液体的机构。上述提供机构最好包括一个由相应活塞来驱动的泵。
在一种实施方案中，所述驱动机构包括与所述传动机构相连接的连接机构，以便在使用的过程中让第一和第二活塞以预定的相位关系运动。最好通过诸如曲轴之类的这种便利机械连接机构来连接第一和第二活塞，能够获得很大的压缩比，并同时能维持活塞之间的相位。第一和第二活塞之间的相位关系可以是让第二活塞超前于第一活塞至少90度。此外，也可以彼此独立地驱动上述活塞，其中的每个活塞都可以与一个外部的驱动机构相连接，以便承受它们的相应室中的压力。
在一种实施方案中，发动机可以进一步包括一个燃烧室，其中所述加热机构利用由发动机燃烧室界定的至少一个表面所传递的热量对来自压缩室的压缩气体进行加热。这样，就可以采用本发明来为常规的燃机(例如汽油或柴油发动机)提供一种冷却设备，它能够回收常用的冷却设备所浪费的热量，并将它转换成为有用的功率。在压缩室中产生冷的压缩气体，而燃烧室的壁所造成的热损失被传递到压缩气体，以便冷却发动机。同样的方法可以用于从常规的燃机所排放的废气中回收热量，例如通过在废气岐管中设置压缩气体冷却管道，或者设置一个让排放废气通过的换热器。经过预热的压缩气体随后被喷射到膨胀室之中，其膨胀将推动活塞朝离开该室的方向运动，从而产生有用的功率。在一种实施方案中，膨胀活塞可以与发动机的一个外部输出驱动机构相连接。这种结构的优点是能够提高常规燃机的效率。
本发明的另一个组成部分是提供了一种热泵，它包括一个容纳了需要膨胀的气体和第一活塞的膨胀室，通过该活塞的朝着离开该膨胀室的运动使气体膨胀;一个容纳需要被压缩的气体和第二活塞的压缩室，通过该活塞在压缩室的运动来压缩该气体;用于将气体由上述膨胀室和压缩室中的一个输送到另一个的机构;用于在所述压缩室中形成液体喷雾的机构，以便吸收在压缩过程中由所述气体产生的热量;其中所述的第二活塞由外部的动力源驱动，朝着进入所述压缩室的方向运动，以便压缩气体。
这种类型的热泵通过在热的压缩室中的液体喷雾介质能够非常有效地将热量送到一个外部的散热器，并同时能够由一个外部的动力源，例如一个电机，通过例如一个机械连接机构来予以驱动，从而提供一种与已知热泵相比具有更高效率的热泵。
这种形式的热泵既可以采用闭式循环也可以采用开式循环来进行加热或冷却。例如，一种实施方案可用于空调系统，其中空气由外部被吸入到压缩室之中，通过液体喷雾进行等温压缩，然后被送到膨胀室去膨胀做功，将一部分能量送回用于压缩。该膨胀可以是绝热的，因而气体被冷却，该冷的气体由热泵送出，用于进行空调。此外，热泵的另一种实施方案可以进一步包括对膨胀室中进行膨胀的气体提供热量的机构，从而使该膨胀基本上是以等温方式来进行的。这一点可以通过在膨胀室中提供液体喷雾来实现。液滴中的热量被吸收，使液滴冷却，冷却的喷雾液体可以用于制冷，例如进行空调。喷射到膨胀室之中的液体喷雾也能够有效地和低温热源进行热交换，从而使该热泵能够将这一热量输送到具有较高温度的散热器，例如用于供暖。该热泵可以采用开式或闭式循环来工作。
在另一种实施方案中，热泵可以进一步包括换热器，用于利用来自压缩室中压缩气体的热量预热膨胀的气体。这一点对于闭式循环来说尤其具有好处，因为在这种方式中，同种气体在膨胀室和压缩室之间往复地流动。
一种最佳实施方案包括用于连接第二活塞和外部动力源的连接机构，该连接机构用于承受压缩室中的气体压力。以这种方式将热泵与外部动力源相连接能够在压缩室中获得高得多的压力，从而也就获得高的压缩比，使本发明的热泵能够与已知的热泵相比在每一个周期上泵送更多的热量。与此同时，采用这样的连接使热泵能够在结构上更加紧凑，因为获得高的压力(因而也就是大的输出)并不取决于活塞的惯性，否则活塞就必须相对地大，从而也就增大了热泵的体积。所述的连接机构可以是一个曲轴。
在一种最佳实施方案中，通过一个诸如曲轴的机构连接机构将第一和第二活塞连接在一起。从而很方便地控制活塞的定相。
本发明的热泵的另一个重要的优点是它不需要一种蒸发或冷凝的流体，而是可以采用一种不会冷凝的气体和一种不会产生显著蒸发的液体。对沸点也没有特殊的要求。事实上，可以采用诸如氦气之类的气体和例如水之类的液体，当它们被排放时，不会对环境产生危害，这也是本发明的一个重要的优点。不需要特定的沸点的另一个优点是该热泵与已知的热泵相比能够在更宽的温度范围内工作。
所述的热泵可以包括有任何一个或多个与上述热机相关联的上述较佳特征或选择特征。
上述热机和热泵可以具有任何数目的压缩室和膨胀室，而且压缩室和膨胀室的数目不一定要相等。
以下将结合附图对本发明进行详细的说明。其中附

图1是本发明第一种实施方案的示意图，它采用了液体活塞，并以闭式循环进行工作。
附图2是本发明第二种实施方案的示意图，它采用了液体活塞，并以开式循环进行工作;
附图3是本发明第三种实施方案的示意图，它采用了固体活塞，并以开式循环进行工作;
附图4是本发明第四种实施方案的示意图，它采用了固体活塞，并以开式循环进行工作;
参见附图1，一对U形导管1和3中的每一个都装有一段液体5和7，在其中一个U形导管1的每一个臂13和15上形成了一个压缩室9、11，在另一个U形导管3的每一个臂21和23上形成了一个膨胀室17、19。压缩室9通过一个回热器25与膨胀室19相连，而另一个压缩室11通过另一个回热器27与膨胀室17相连。实际上，如附图所示的U形导管都要旋转90度，使它们彼此相对，而上述两个回热器是具有相同长度的。上述两个U形导管和回热器都具有马鞍形，因而被称为“马鞍回路”。由单一的内连通气体介质与单个的回热器、压缩室和膨胀室组成的发动机或热泵被称为“半马鞍形回路”，其中所述的压缩室和膨胀室各具有一个液体或固体活塞和用于加热或移去热量的机构。
在压缩室和膨胀室中都提供有液体喷雾。在压缩室中用于喷雾29和31的液体最好从导管1的液体中取出，膨胀室17和19中的液体喷雾33和35最好从相应的导管3的液体中取出。取自导管1的液体可以在喷射到压缩室9和11中之前流过一个冷却器(图中未示)，而取自导管3的液体可以在喷射到膨胀室17和19中之前流过一个加热器。在压缩室9、11和与它们对应的膨胀室17、19所形成的空间中充有工作气体，它们通过相应的回热器25和27相互连通。在上述各室和相应的回热器之间设有分离器37、39、41和43，用于在流体通过有关的回热器之前除去工作气体中的液体。
每一个U形导管1和3都具有一个线性部分45和47，它们与相邻的臂相连接。与每一个液体活塞相连接的机械结构用于将动力传给活塞或将动力由活塞传出。在这一实施方案中，在导管的每一线性部分中都安装了一个固体活塞49和51，该固体活塞能够沿着长向自由地进行直线运动。在固体活塞的两侧形成了液体活塞。每一个固体活塞49和51与一个驱动轴53、55相连接，该轴穿过每一个导管的管壁，以便提供用于驱动液体活塞或者将动力由液体活塞传出的机构。
上述两个驱动轴53和55通过一个外部的驱动机构连接在一起，使每一个活塞的运动都近似地与时间成正弦关系，并且使不同导管中的活塞之间保持预定的相位关系。这一点例如可以通过与柴油或汽油发动机中使用的曲轴与驱动轴53、55相连接来实现。
通过让工作气体进行热力循环来使该发动机工作，上述热力循环包括反复的压缩和膨胀。当大部分工作气体位于压缩室9和11中时，进行压缩;当大部分工作气体位于膨胀室17和19中时，则进行膨胀。这一点可以通过使膨胀室中的活塞在相角上超前于压缩室中的活塞90度来实现。采用这样的结构，膨胀室或压缩室中的活塞之间的相角是180度，一个膨胀室中的膨胀过程将驱动另一个压缩室中的压缩过程。例如，室19中的膨胀驱动压缩室11中的压缩;而室17中的膨胀则驱动室9中的压缩。
下面将仅仅结合一个压缩室和一个膨胀室对发动机的一个完整的循环进行说明。在压缩开始时，压缩室9中的液体活塞位于其冲程的底点，而膨胀室19中的液体活塞位于其冲程的中点并朝上运动。压缩室9和膨胀室19之间所共有的大部工作气体位于压缩室9之中。压缩活塞朝压缩室9中运动，并且克服由膨胀活塞在膨胀室19中的运动所产生的气体压力，对工作气体进行压缩。将冷的液体喷射到压缩室中，以便在压缩的过程中冷却工作气体。这一液体可以从冷的液体活塞(即压缩活塞)中取出液体来获得，并在将它喷射到压缩室之前让该液体流过一个外部的冷却器(图中未示)。当压缩室9中的液体活塞位于其冲程的中点时，膨胀室19中的液体活塞即位于冲程的顶点，并准备改变其运动方向。当压缩活塞在压缩室中继续朝上运动时，将继续压缩工作气体，但同时当膨胀活塞开始向下运动时，冷的压缩气体开始朝着膨胀室19流过回热器。利用在前一次循环终点时由膨胀室中排出的膨胀气体的热量对压缩室9中流出的冷压缩气体进行预热。
当压缩室9中的压缩活塞到达其冲程的顶点时，膨胀室19中的膨胀活塞便位于其冲程的中点并朝下由膨胀室19中移出。热的液体被喷射到膨胀室之中，以便在气体随着膨胀活塞朝下运动而膨胀时保持气体的温度。这一液体可以由热的液体活塞中取出液体来获得，并在将它喷射到膨胀室中之前让它流过一个外部的加热器(图中未示)。与此同时，压缩活塞在相反方向上运动，由压缩室9中移出。为了防止压缩室中的气体在膨胀过程中冷却，最好喷射由液体活塞中直接取出的液体，而不是喷射在一个外部冷却器中已预冷了的液体。
当膨胀活塞在膨胀室19中到达其冲程的底点时，压缩活塞在压缩室9中位于其冲程的中点并朝下运动。膨胀活塞改变其运动的方向，这两个活塞在相反的方向上运动，迫使工作气体由膨胀室中流出，通过回热器流入压缩室。由膨胀室中流出来的热膨胀气体在流回到压缩室之前在回热器中被预冷。当膨胀活塞朝上运动到膨胀室19之中时，保留在该室中的气体受到一定程度的压缩。为了防止对该气体加热，可以将液体喷射到膨胀室之中。该液体最好直接由热的液体活塞中取出，而不要让它通过外部的加热器。当压缩室9中的压缩活塞到达其冲程的底点时，膨胀室19中的膨胀活塞即位于其冲程的中点并朝上运动到膨胀室之中，压缩活塞改变其运动方向，重新开始此种循环。
如上所述，室9和19中的热力循环与室11和17中的热力循环在相位上相差180度。这样，室19中的膨胀冲程带动室11中的压缩冲程，而室17中的膨胀冲程则带动室9中的压缩冲程。然而，在压缩和膨胀冲程之间的循环中存在一些点，在这些点上，发动机不输出净功。为了保持发动机在整个循环上的运转，可以采用一个飞轮，或者依靠活塞本身的惯性，其条件是活塞的质量足够大。不过，如果提供一个第二马鞍形回路，使它的循环与第一马鞍形回路的循环在相位上相差90度，则不需要采用飞轮。这一点可以通过采用适当的外部驱动机构来实现。这样，热机的上述实施方案就能够在一个循环的所有阶段都输出净功。
如上所述的发动机的一个最重要的特点是采用热的和冷的液体喷雾，将每一个室中工作气体的温度都保持在所需的温度值上。如上所述，尽管液体仅仅在喷射周期的一部分中流过换热器，但液体喷射可以在整个循环周期中进行。下面将分别结合每一个室对其进行说明。
在压缩过程中，液体喷雾的作用是使压缩室中的工作气体的温度尽可能地低。这样，在循环周期的这一部分，液体需要流过外部的冷却器。在循环周期的后一部分，当工作气体膨胀时，喷雾的作用是防止气体被过分冷却，因此在循环的这一部分最好从液体活塞中直接取出液体，而不要对它进行预冷。
对膨胀室则适用相反的结论。在膨胀过程中，气体应尽可能地热，因此喷射液体需要流过一个外部的加热器。在压缩过程中，重要的一点是防止气体过热，因此在循环的这一段阶段应直接由液体活塞中取出喷射液体。
在一种实施方案中，对用于喷雾的液体的泵送可以通过直接利用活塞和驱动轴的往复运动来实现。该泵可以安装在导管中，它包括一个由液体活塞、固体活塞或驱动轴带动的小型活塞，该活塞能够在安装了止回阀的活塞缸中滑动。如果该泵是双端式的，即在其两端都可以注入和泵送液体的，则每一个导管中可以只安装一个泵。这使得液体能够由泵的每一端交替地送出，同时在另一端注入液体。一个双端式泵可以作为与该特定导管相连接的液体喷射器之用。该泵的每一端可以具有两个出口，其中一个通向与所述特定导管相连接的一个室中的喷口，而另一个出口则直接通向其他室中的喷口。这样，尽管需要几乎连续地进行液体喷雾，但喷射的液体的温度根据它在循环周期中是否通过换热器而有所不同。
位于喷射器喷口上方的分离器可以由波纹板构成，它在液体喷雾和工作气体之间的换热过程中也起到了重要的作用，因为波纹表面通过与来自喷雾中的液体相接触可以冷却或加热，并使工作气体和液体之间的接触面增大。当气体朝上流入一个特定的室中时，绝大部分的喷射液滴将被朝上带到分离器。然而，在较低的气体空间中仍然存在许多由较早的喷射所产生的液滴。当气流朝下时，绝大部分被分离到波纹板上的液体将被吹落到此室之中。分离器通过这种方式能够反复地收集和排出或转移到达它们之中的液体。可以设置另外的分离器，或以另外的方式安装分离器，使工作气体产生旋流，以便于除去液滴，同时尽可能地减小气流的压力损失。
回热器的用途是以一种有效的热力方式来改变工作气体的温度，使之由热变冷或由冷变热。回热器可以由一排窄的具有各种横截面形状的通道组成，横截面的几何形状经设计成可以在气体和回热器的材料之间提供较大的传热面积。上述窄的通道可以通过采用板件或管件制成。回热器存储工作气体产生的热量，直到工作气体转变其流动方向为止，其后热量将被送回到工作气体。回热器的设计也应尽可能地减小在其长度方向上的压力损失。
工作气体和液体活塞的传热液体的选择取决于发动机的用途和发动机的工作温度范围。由于该发动机以闭式循环工作，而且液体活塞形成了完全的密封，因此在选择工作气体时不必受气体是否容易获得或其价格的限制，而只需根据气体的热力特性来进行选择。这样，工作气体例如可以是氦气或氢气，它们具有较佳的热交换特征。尽管氦气在价格上更贵，但从安全的角度来看比氢气更为理想。采用闭式循环的另一优点是工作气体的工作压力可以更高，它一般在1-20MPa(10-200bar)的范围之内。
当工作温度高达200℃左右时，可以采用水作为换热液体。然而，当工作温度更高时，水就不太适合了，因为需要采用高压来将水保持为液态。当工作温度高达约400℃时，可以采用市售的在较高温度下也为液态的换热液体。对于这一较高的温度范围来说，也可选择氦气作为工作气体。对于高于400℃的工作温度来说，可以采用诸如钠-钾易熔共晶混合物(NaK)的液体金属，并用氦气作为工作气体。易熔的NaK直到-12℃仍保持为液体，其沸点为785℃(在大气压力下)。在高温情况下，可以用熔融态盐来代替液体金属。然而，由于设计在高于400℃温度下采用高温液体的发动机存在一定的工程难度，最好根本就不使用一种热液体，而是通过换热器的壁将热量传递给发动机，以便能够采用温度高得多的热源来驱动，包括燃料的燃烧。这样的燃料可以是重油、煤、生物或生活废料，因为燃烧的产物并不会进入发动机的。因此，采用热液体喷射的本发明的热机实施方案非常适合于从较低温度的热源，例如工业废热或太阳能来产生动力。
上述采用闭式循环的热机可以被改为热泵，其中用机械能将热量由低温热源送到高温散热器。与热机相反，当工作气体是热气体时对它进行压缩，当工作气体是冷气体时让它膨胀。可以结合附图1对上述热泵的一种实施方案进行说明。在这一实施方案中，将用于驱动热泵的机械能通过驱动轴53和55传给固体活塞49和51。与热机相反，压缩室中的液体活塞在相位上超前于膨胀室中的液体活塞一个预定的相角，例如90度，而不是落后90度。参见附图1，室9和11中的液体喷雾29和31用于将热量由一个较低温度的热源传送给热泵。在室中的工作气体的膨胀过程中，冷的液体被喷射到室9之中，该工作气体是由液体活塞来驱动的。在膨胀过程中，由喷雾所携带的热量传递给工作气体，该膨胀过程可以近似于等温的。在热量被液体喷雾中的液滴吸收之后，较冷的液滴与液体活塞中的液体相混合，使液体活塞的温度降低。来自液体活塞的冷液体流过一个适当的换热换器(图中未示)，在该换热器中热量被传递给来自热源的液体。冷液体的热源可以是空气、大地、河流、水蒸汽或水的其他形体。另一种可能的方案是采用由通风系统中提取出的废气作为热源。这一点正好和热机中使用的换热器的作用相反，在热机中，换热器是用于将液体的热量传给较低温度的散热器的。
在工作气体是由液体活塞驱动的压缩过程中，室17和19中的液体喷口33和35即将热液体喷入到这些室之中。这种热液体喷雾机构对工作气体起到散热器的作用，吸收由压缩所产生的热量。在进行压缩之后，喷雾中的较热液滴与液体活塞重新混合，使液体活塞的温度升高。来自液体活塞的热液体流过一个适当的换热器(图中未示)，在该换热器中，液体的热量被传送到需要使用热量的地方。这一点和热机中所使用的换热器的作用正好相反，在热机中，换热器是用于将热量由热源传给液体。该热量可以传给与许多家用系统相类似的热水系统。此外，该热量也可以提供给一个管道通风系统。
就一个冷室9和与之相关的热室19而言，热泵的一个循环是以如下所述的方式进行的。首先设热室19中的液体活塞位于其冲程的顶点并正取相反的运动方向。
当位于热室19中的液体活塞到达其冲程的顶点时，冷室9中的液体活塞到达其冲程的中点。当液体活塞继续运动，脱离冷室9时，冷气体膨胀，同时通过喷口33将冷的液体喷射到此冷室之中。室9中的工作气体吸收液体喷雾的热量，并以近似等温的方式膨胀。当冷室9中的液体活塞到达其冲程的底点并改变其运动方向时，热室19中的液体活塞到达其冲程的中点，并移出该腔室。当室9中的液体活塞进入该室时，便将工作气体从该室中排出，通过一个回热器进入热室19，在上述回热器中，工作气体被在前一循环的终点从热室中排出之工作气体的热量预热。当室19中的液体活塞到达其冲程的底点并改变其运动方向时，热液体即通过喷口35喷射到室19之中。在这一时刻，室9中的液体活塞到达其冲程的中点，而大部分的工作气体则位于热室19之中。室19中的液体活塞在此室中朝上运动，并压缩工作气体。压缩产生的热量传给热喷射液体的液滴，该压缩过程可以是近似等温的。当室19中的液体活塞到达其冲程的中点时，冷室9中的液体活塞到达其冲程的顶点并改变运动方向。当液体活塞继续运动到室19之中时，工作气体由该室中排出，并流过换热器25，将其热量释放给该回热器。由该回热器排出的冷气体回到冷室，重新开始一个循环。
当冷室9中的活塞运动进入到该室之中，将气体排出时，气体的压力增加，常会提高气体的温度。当气体被压缩时，可以将液体喷射到冷室之中，以便防止气体过热，并最好能够保持气体温度恒定。如果采用液体活塞，用于喷射的液体最好直接由液体活塞中取出。类似地，当热室中的活塞由该腔室中运动出来，并将气体吸入时，气体的压力下降，而常会降低气体的温度。为了防止这一点，在气体膨胀时可以将液体喷射到热室之中，以便保持气体的温度恒定。如果采用液体活塞，用于喷射的液体最好直接由液体活塞中取出。
与前述热机中的情形相同，可以采用两个马鞍形回路，使它们之间在相位上相差90度。所采用的气体最好在热泵的工作温度和工作压力范围之内不会产生相变(即冷凝或蒸发)。和热机相同，工作气体可以是(例如)氦气或氢气，传热体可以是水，同时根据冷源的温度，可以在传热液体中加入防冻剂。如果采用空气作为热源，则热源的换热器可能需要定期地进行除霜。
此种热泵可以供各种家用或商业用途，进行空调、制冷、供暖或加热水。热泵的效率通常用性能系数(COP)表示，它是电能转换为热的转换率。COP也取决于热源的温度和所需的热量供应。对于为供暖而加热水和其他家庭用途来说，一个普通热泵的COP可以达到3。当热源的温度刚刚高于制冷温度时，如上所述的热泵循环的COP在家庭用途中可以达到3.5。通过采用太阳能板或由家庭废水中回收热量来提高热源的温度，可以将COP提高到4。此外，如上所述的热泵可以吸收温度接近冰点的空气中的热量，以大约为4的COP值为供暖系统提供管道热空气。如果从废水中、从通风废气中或者从太阳能加热器中回收一些热量，则可以将COP值提高到4以上。
回到热机，另一种实施方案是采用燃料的燃烧来将热量施加给工作气体。将燃料喷射到膨胀室中，与热的压缩气体相混合并点火。上述燃料最好是干净的燃料，例如煤气或轻质馏出油。这类热机的一种实施方案如附图2所示。附图2的实施方案中所示热机的许多零部件和附图1所示实施方案中的相同，对相似的部分用相同的标记来表示。
参见附图2，该热机包括一对U形导管1和3，每一个导管的内部都部分地装有液体，用作液体活塞。在导管1的两个臂13和15中形成了压缩室9和11，在导管3的两个臂21和23中形成了燃烧室17和19。其中一个压缩室11通过一个换热器和一个燃烧室17相连接，该换热器最好是回热器27;另一个压缩室9通过另一个换热器和另一个燃烧室19相连接，该换热器也可以是一个回热器。上述压缩室9和11装有进气阀，以便让空气或其他氧化气体进入压缩室，这些阀门可以是止回阀。每一个压缩室9和11都具有一个液体喷口29和31。如前所述，被喷射的液体由液体活塞中取出。在压缩室9和11以及回热器25和27之间装有另一个阀门61和63，用于防止由燃烧腔室17和19排出的气体通过回热器25和27回到压缩室9和11。在阀门61、63和回热器25、27之间装有一个排出口65、67，由一个排出阀69、71进行操作，用于在气体流过回热器25、27并将其热量输送给该回热器之后将该气体排出。在每一个燃烧室17和19上装有一个燃料引入口73和75，用于将燃料引入燃烧室。每一个排出阀69和71都由适当的正时机构(图中未示)来操作。
下面将结合一个压缩室和与之相联系的燃烧室对该热机的一个循环进行说明。当压缩室中的液位下降到一定位置，使其内部的压力低于以止回阀形式的入口阀57的另一侧的压力时，入口阀57开启，让氧化气体进入该室。如果该氧化气源是空气，则当压缩室中的压力低于大气压力时，入口阀57就会开启。当压缩室中的液体活塞到达并下落到超过其冲程的中点时，燃烧室19中的液体活塞到达其冲程的底点，并改变其运动方向。排出阀65被打开，并且在此燃烧室中的活塞在燃烧室中运动时，迫使排出气体通过回热器，将其热量在这一过程中放出。止回阀61防止排出气体进入压缩室9。
当燃烧室活塞到达并超过其在燃烧室中冲程的中点时，压缩室活塞位于其冲程的底点并改变运动方向。当压缩室活塞到达其低限位置并开始朝上运动时，入口阀关闭，从而对引入的氧化气体进行压缩。液体喷雾将气体的温度保持为接近周围的环境温度，从而提供了一种近似等温的压缩。在压缩过程中，当压缩室活塞位于其低限位置和其冲程的中点之间时，燃烧室活塞继续朝燃烧室中运动，迫使热的燃烧气体经过回热器25由排出口65排出。当压缩室中的压力超过燃烧室中的压力时，连接这两个室的止回阀61开启，冷的压缩气体流过回热器并吸收热量，从而以较高的温度进入燃烧室。当压缩室活塞到达其在压缩室中的冲程的顶点时，燃烧室活塞改变其运动方向，并移出燃烧室。在液体活塞即将到达其在压缩室中的冲程的顶点，燃烧室活塞即将到达其在燃烧室中的冲程的中点时，燃料即被喷射到燃烧室19中，同时被点燃或借助点火火焰或火花(图中未示)被点燃。燃烧室活塞继续向下朝着移出燃烧腔室的方向运动到某一点时，将燃料喷射切断。可以对燃料的喷射速度进行控制，以便提供一个大致的等温膨胀。压缩室活塞改变其运动方向，将新鲜的气体吸入此室之中，并当燃烧室活塞到达其冲程的底点时开启排出阀65，重新开始一个循环。
为了避免需要一个飞轮，可以提供两个马鞍形回路，使它们在相位上彼此相差90度。与上述闭式循环热机相同，可以采用一个机械驱动系统。含压缩室和燃烧室的导管中的液体活塞所采用的液体可以是油、水或者其他流体。两个导管中所用的液体不一定是相同的。可以在每一个燃烧室的液体活塞的表面上提供一个浮子22和24，它由固体材料制成，用于防止燃烧气体和液体的接触。也可以设冷却燃烧室壁的机构。
如上所述的闭式循环发动机和开式循环发动机都产生出一输出功，包括在低频(例如约1Hz)下大的往复运动的力。如果将该发动机用于发电，则通常需要通过一定的机构将该低速的机械能转换成为适当的形式，以便驱动发电机。对于发电能力为1MW的中等机组来说，可以采用一个低速曲轴，通过适当的齿轮传动与发电机相连接。也可采用内摆线齿轮机构(hypo-cyclic gear)或蜗轮传动机构。在采用内摆线齿轮的情况下，发动机的驱动轴与一个其外圆周表面上具有齿的行星齿轮相连接。该行星齿轮绕一个固定轮的内表面旋转，该内表面也有齿。行星齿轮装在一个臂上，当行星齿轮围绕固定轮的内表面旋转时，该臂也旋转。该旋转臂通过一个加速齿轮机构来驱动发电机。这一机构能够获得与一个曲轴相同类型的运动，但优点是避免了由曲轴所产生的较大侧推力。同时，上述内摆线齿轮机构也能做得比传统的曲轴更为紧凑。此外，该发动机也能够用于泵送工作流体，使之流过与发电机向连接的透平机。这一技术既适用于大型机组，也使用于小型机组。
在另一种实施方案中，液体活塞可以用固体活塞来代替。尽管在闭式循环发动机中可以采用固体活塞，在这样的发动机中工作气体反复地在压缩室和膨胀室之间流动，然而却难于获得对被封闭的高压气体例如氦气或氢气的适当密封。对于下述这种开式循环的发动机来说，密封的问题不显得那么突出，在此种发动机中，于每一循环中都采用新鲜的空气或其它氧化性气体，从而固体活塞可能更适用于这种情形。图3示明了这种形式之热机的一种实施例。
参见附图3，该实施例的发电机用标记100来表示，它包括四个活塞缸113、115、121和123。在每一个活塞缸中都装有一个活塞，每一个活塞都通过一个连接杆171与曲轴169相连接。在这一实施例中，发动机的曲轴装在活塞缸的上方。在两个活塞缸121和123中形成了压缩室109和111，在另外两个活塞缸113和115中形成了膨胀室177和119。每一个压缩室具有一个进气口156和158，它们由进气阀157和159来控制，同时每一个压缩室还具有一个压缩气体的出口173和175。气体输送管线177和179通过压缩气体的进气口181和183将压缩室109、111与相应的膨胀室119、117连接起来，所述压缩气体的进气口181和183由膨胀室119和117中的进气阀185和187来控制。每一个膨胀室117和119具有一个排气口167和165，它们由排气阀193和191控制。所有的进气口和排气口均位于膨胀室和压缩室的底部。
在每一个压缩室109和111中都设置了一个喷口129和131，用于在压缩的过程中将液体喷雾喷射到室109和111之中。在每一个压缩室109和111中都安装了一个分离器137和139，用于在压缩气体离开压缩室之前除去其中所含有液体。这样，分离器137，139安装在压缩气体的排气口173和175的上方。可以采用各种形式的分离器，但重要的一点是该分离器必须尽可能地紧凑，使之不会对进入压缩室的气体或离开此室的压缩气体造成较大的压降。为了避免分离器在进入气体流中造成压降，进气口可以位于分离器靠近活塞的一侧。为了获得小的压降，分离器可以包括若干小的旋流叶片，它们安装在一个短的管道部分上，该部分与其他管道部分相平行。所形成的气体旋流将气体所携带的液滴朝外抛出，并被收集在管道壁上。旋流叶片式分离器经常用于例如蒸汽发生器以及加压水反应器的蒸汽-蒸汽再热器中。
每一个分离器137和139都通过管道201、203与一个外部的冷却器197和199相连接。液体从分离器到冷却器的流动由阀门205和207来控制，这些阀门可以是止回阀。由冷却器来的冷却液体经过管道209、211和阀门129、131回到一个压缩室，所述的阀门也可以是止回阀。液体环绕这一回路中的流动可以由压缩室中的周期性压力变化来驱动，该压力迫使液体以需要的方向流过上述止回阀。为了使这一过程能够进行，有必要在冷却器中的液位上方保留一个气体空间。这一点可以通过采用一个安装在冷却器上的液位控制器，例如一个球阀，来实现。可以将另外的液体供应源连接到冷却器上，用于补充由于在气体流向燃烧室时而造成的液体损失。如果采用了液位控制器，也可以用它来控制液体的补充。
如上所述的分离器和冷却回路用于对被冷却的液体进行分离、再循环和泵送，使之以细小的喷雾方式喷射到燃烧室之中，而不需要使用另外的泵。在使用液体活塞的热机中也可以采用类似的结构。对于某些应用来说，最好不采用位于喷口上游的止回阀，而是采用凸轮来控制喷射，因为凸轮能够更好地控制喷射的正时。最好考虑冷却器和燃烧室之间的压力差以及液滴在该室中的有限传送时间，以便使上述正时达到最佳状态。此外，也可以采用内部或外部的泵来驱动液体，使之流过喷口。在这样的情况下，上述泵最好以机械方式与活塞轴连接起来，以便不再需要另外的动力源。在采用液体活塞的发动机或热泵中，采用喷射泵更为适合，因为它具有较低的工作速度。在这样情况下，液滴的传输时间与发动机的一个完整的循环周期相比可以是相当短暂的。
每一个膨胀室119和117都安装了一个再生式换热器125和127，因此气体在分别通过进气口和排气口进入或离开膨胀室之前，首先流过该换热器。每一个膨胀室具有一个由适当的正时机构来控制燃料喷射阀174、176和一个用于点燃燃料和气体混合物的火花塞，其作用是启动发动机，或既用于启动发动机，也用于发动机的连续运转。
上述再生式换热器可以由许多平行的通道组成，这些通道具有较小的直径和较短的长度，铸成蜂窝形结构。该换热器安装在燃烧室的内部，以便简化设计并使未被吹走的气体量减到最少，但对于某些用途来说，采用单独的回热器可能更好。
前述的室以成对的方式来安排，每一对包括一个压缩室，它将冷的压缩气体送到一个膨胀室。各对室的工作周期在相位上相差180度。在本实施方案中，这一点是通过一个经过适当设计的曲轴169来实现的。在每一对室中，通过一预定的相位角，使膨胀室中的膨胀过程导致压缩室的压缩过程。在本实施例中该相位角也为90度，该相位角通过对曲轴169适当的设计来确定。通过这种方式，当绝大部分的气体位于压缩室中时，进行压缩;当绝大部分气体位于膨胀腔室中时，进行膨胀。同样，在一对室中的膨胀室内进行的膨胀过程直接驱动在另一对室中的压缩室内进行的压缩过程。
从气体进入压缩室开始，一对室的工作循环是以如下的方式来进行的。当压缩室中活塞到达其在压缩室中的冲程的底点(即距离曲轴169的最远点)时，进气口157开启，随着活塞移出压缩室109的运动，将气体吸入到压缩室之中。同时，膨胀室119中的进气口中181关闭，当膨胀室活塞朝离开膨胀室的方向运动到其冲程的中点时，将燃料喷射到膨胀室中，燃料和气体在膨胀室中的混合气体被点燃，燃烧的气体驱动膨胀室活塞，使其到达其冲程的顶点(即距离曲轴169的最近点)。
膨胀室活塞改变其运动方向，排气阀193开启，需要被排出的气体通过回热器125由排气口189排出。继续将气体吸入压缩室，直到压缩室活塞到达其冲程的顶点，此时进气阀157关闭。压缩室活塞改变其运动方向，朝压缩室内运动，在这一时刻，将冷的液体喷射到该室之中，以便在压缩的过程中冷却气体。
当压缩室中的活塞到达其冲程的中点时，膨胀室中的活塞到达其冲程的底点，并改变其运动方向。在这一时刻，排气阀191关闭，压缩气体的进气阀185开启，让冷的被压缩气体由压缩室流到膨胀室。压缩气体流过回热器125，由排出气体的热量进行预热。
当压缩室中的活塞到达其冲程的底点时，膨胀室中的压缩气体进气阀181关闭，将燃料喷射到膨胀室之中，与经过预热的压缩气体相混合并被点燃。燃烧气体膨胀，迫使膨胀室活塞朝其顶点运动，从而重新进行一个循环。在气体离开压缩室之前除去其中的液体，通过阀门205将分离出来的液体排出。对该液体进行冷却，然后再将它送回并喷射到压缩室之中。
另一对室也进行类似的循环，但如上所述，每一对腔室的工作循环在相位上相差180度。如果采用一个较大的飞轮，以便在整个循环周期上保持发动机的运动，则该发动机就能令人满意地工作。然而，发动机可以包括两个机组，每一个具有四个缸，它们都连接到同一个曲轴，并使每一四缸机组的运转在相位上相差90度。这样，就可以在整个周期的所有阶段上进行正常的驱动，不需要飞轮也能实现连续的运转。
此外，也能设计出只包括一个压缩室与一个膨胀室的发动机，只要能设置某些机构，来维持此发动机在膨胀或燃烧冲程之间的循环周期中运动即可。
附图3显示了采用固体活塞的发动机的布置形式，其中曲轴位于活塞缸之上，其优点是能够借助于重力来分离和排出活塞缸中的液滴。另一方面，对曲轴进行润滑却不怎么方便，而且这种布置形式还存在其他的缺点。另一种方案是将曲轴设置在活塞缸的下面，并采用活塞将用过的喷射液体通过一个与膨胀室相连接的阀门向外排出。分离液体的装置此时可设在通向膨胀室的管道中。对于曲轴位于活塞缸之下的这一结构来说，另一种分离的方案是用活塞将液体推向位于活塞缸顶部的一个内部溢流口，然后通过重力将该液体排出。这一方面不必采用一个较大的管道和外部分离器。
采用固体活塞而不是液体活塞的优点在于可以使发动机以更高的速度运转。这意味着在一定的设备尺寸下，此种发动机能够产生较大的输出，使发动机除了固定的发电之外，还能够适合于可移动式的应用场合，例如用于轮船或汽车。一般说来，固体活塞的活塞密封不如液体活塞，但是对于开式循环的发动机来说，密封的重要性不象闭式循环发动机那样突出。也可以设计同时采用固体活塞和液体活塞的发动机，例如在压缩室中采用液体活塞，而在膨胀室中采用固体活塞。
附图4显示了和附图3所示的热机相类似的另一种实施方案，所不同的是进行了若干改进，以便改善发动机的性能，使之具有更高的效率和高得多的功率输出。
如附图4所示的热机包括一对压缩缸113和115，其中每一个都具有与之相连的喷射液体冷却和再循环机构，以及一对膨胀或燃烧缸121和123。上面结合附图3的说明适用于附图4中的相应部件，对类似的部件采用相同的附图标记来表示。下面将结合附图4对热机所作的改进进行说明。
水份分离器137和139由压缩室109和111的内部移出，设置在压缩室的外部，并与空气输送管线177和179相连接，该空气管线接在压缩室109、111的压缩气体排气口173、175和膨胀室119、117的热压缩气体进气口165、167之间。将水份分离器设置在压缩室之外能够消除腔室之中的死区体积，否则这样的死区在压缩的过程中始终存在，从而导致了低的压缩比。另外增设了压缩气体的排气阀204和206，用于密封压缩室109和111，使之和由外部管道所形成的空间隔离开来，该外部管道由压缩室的压缩气体排气口173、175通向膨胀室的进气口，并用于在压缩气体流到相应的膨胀室之前控制每一个压缩室中的压缩气体的最终压力，同时控制让压缩气体流到膨胀室去的时间。增设排气阀204、206以及将水份分离器由压缩室的里面移到其外面都能够获得高得多的压缩比。
如附图3中的安装在膨胀室中的再生式换热器125和127由附图4所示的安装在膨胀室之外的间壁式换热器244和246所取代。这一措施再次大大地减少了膨胀室中的死区体积，使得进入膨胀室的热压缩气体的膨胀能量不会由于首先膨胀到前一循环周期产生的、收集在再生式换热器中的排出气体的死区之中，从而降低了气体的温度而受到损失。这样，在膨胀室中就能够获得高得多的温度。
间壁式换热器244和246中的每一个都连接到位于相应的水份分离器137、139和相应的膨胀室的热压缩气体进气口181、183之间的压缩气体输送管线177、179上，用通过排气口165，167而从膨胀室出来的排气来预热来自压缩室的冷的压缩气体。由附图4所示的发动机所能获得的更大的压缩比意味着膨胀之前和之后的绝对温度比也提高了。附图3和附图4所示的发动机的膨胀后的温度可能是差不多的，因为这一点取决于换热器的材料。因此，附图4所示发动机的峰值温度将更高，膨胀过程中增加的热量的平均温度也将更高。上述改进措施通过在最低的温度下释放热量，在最高的温度下吸收热量，从而能够在一个循环中获得更大的压差和更高的温度，这一点导致了功率输出的增加。
附图4所示的实施方案采用了进一步改进措施来回收循环周期中各个阶段的废热或过多的热量，并将回收的热量转变成为可以利用的功率，从而可以提高发动机的效率。特别是每一个燃烧活塞缸123、121都装有一个冷却外罩212、214，用于回收通过燃烧室壁传来的热量。一个旁通管线208、210被连接到位于水份分离器137，139和间壁式换热器244、246之间的压缩气体的输送管线177、179上，用于将冷的压缩空气由压缩室109、111供送到上述冷却外罩212、214。上述旁通管线208、210被连接到接近冷却外罩212、214的底部的位置上，燃烧室壁在此处的温度最低。一对膨胀活塞缸220、222具有相应的活塞224、226，它们也通过一个连接杆171和曲轴169相连接。每一个膨胀室都具有一个进气口216、218，它们由进气阀232、234控制，每一个膨胀室还具有排气口236、238，它们由出口阀240、242控制。进气口216、218被连接到接近冷却外罩212、214顶部的一个位置上，冷却外罩的最上部部分包围着排气口，并延伸到间壁式换热器244、246的热侧，该处的温度为最高。
这样，燃烧室顶部外壁的热损失被回收，并通过将一部分冷的压缩气体由压缩室送到燃烧室的壁而转换成为有用功。作为冷却介质，压缩气体比大气压力下的空气要有效得多。冷的压缩气体在接近底部的位置上进入冷却外罩，其目的是冷却燃烧室的外壁，因为燃烧室外壁的温度必须保持在由润滑油所确定的温度之下。将压缩气体在冷却外罩中朝着燃烧室的顶部朝上推进，同时吸收热量，使其温度逐渐上升。在这一冷却过程中，吸收了一定热量之后的压缩气体被用来冷却该系统中更热的部分，例如活塞缸的顶部和阀门。最后，通过开启进气阀让热的压缩气体以间歇的方式由冷却系统中排出，进入到膨胀室中，在该室中，该气体膨胀，驱动相应的活塞朝着离开该室的方向运动，从而产生附加的机械功。
在实际中，由于从燃烧室排出的气体的热容大于来自压缩室中压缩气体的热容，在间壁式换热器中，排出气体所能提供的热量大于预热该冷的压缩气体所需的热量。通过压缩比燃烧所需要的更多的气体，让该气体通过间壁式换热器，使之在换热器中为排出气体具有的多余的热量预热，然后再将被顶热的压缩气体送到一个或多个膨胀室中，就可以回收这一部分多余的热量。
这一改进的优点在于降低了排出气体的最终温度，从而提高了发动机的燃料利用效率。
在如上所述的任何一个其他实施方案中都可以采用一个或多个膨胀室来从发动机的各个部分回收废热和多余的热量。
附图4所示的热机的实施方案相对于垂直的中心线A来说基本上是对称的，此热机的右半部分是左半部分的镜象反射。在这一特定的实施方案中，位于中心线A左边的三个活塞和中心线A右边的三个活塞在相位上相差180度，以便在曲轴169上施加最为均匀的转矩。此外，在每半部分热机的燃烧室中的活塞通过曲轴在相位上超前于相应的压缩室中的活塞90度。这样当需要在压缩室形成高压时就可以为曲轴提供大的转矩。这种结构的一个潜在的优点是在通过开启排气阀由压缩室补充气体之前，能从输送管线和换热器将压缩空气吸入燃烧室。
下面将仅仅结合热机左半部分的三个活塞缸对如附图所示的热机的一个完整工作循环进行说明，因为该热机的右半部分的工作是基本上相同的，只不过在相位上相差了180度。在这一实施例中，采用空气作为燃烧的氧化气体，尽管这一点并不是必须的。
当压缩室109中的活塞到达其冲程的顶点并开始改变其运动方向时，压缩气体的排气阀204闭合，进气阀157开启，空气通过空气进气口156被吸入到压缩室之中。与此同时，当压缩室中的活塞112到达其冲程的顶点时，燃烧室中的活塞122和膨胀室中的活塞224到达其冲程的中点并朝下运动。在这一时刻，燃烧室内具有经过压缩的热燃烧气体，该燃烧气体膨胀并驱动活塞朝着脱离该室的方向运动。类似地，膨胀室228中具有被压缩的热空气，它也膨胀并驱动膨胀活塞224朝着脱离该腔室的方向运动。燃烧室和膨胀室上的排气阀都关闭，进气阀也可以关闭。
当压缩活塞112到达其冲程的中点，燃烧室活塞和膨胀活塞到达它们的冲程的底点并改变其运动的方向。在这一时刻，燃烧室的废气排气阀191和膨胀室的排气阀240都打开。当上述活塞运动到它们相应的室中时，将废气通过排气口165由燃烧室排出，并通过换热器244排放到大气之中。类似地，膨胀气体通过排气口236由膨胀室中排出。
如果需要，可以通过在换热器的上游部位或者直接将氨注射到换热器中，和/或通过在换热器本身内部采用催化表面，来减少排放废气中氮的各种氧化物。
当燃烧室和膨胀室中的活塞212，224到达其朝上的冲程的中点时，压缩活塞112到达其冲程的底点并改变其运动方向。在这一时刻，空气进气阀157关闭，通过喷射阀129将冷的液体喷射到压缩室109中，从而使压缩室中的空气以近似等温的方式被压缩。
当燃烧室活塞和膨胀活塞到达它们的冲程的顶点时，它们的相应的排气阀191和240关闭，相应的进气阀185和232开启，让预热后的压缩空气通过相应的进气口181和216进入相应的室中。在一个预定的时刻，将用于使预热的压缩空气进入燃烧室的进气阀关闭，并将燃料通过一个燃料喷射阀174喷射到此室之中。一个点火器178，例如火花塞，用于将燃料点燃，或者在燃料与压缩空气混合时自动地起燃。活塞212被热的燃烧废气的压力推出燃烧室119，该气体对活塞作功之后而冷却到一定的程度。
在某一预定的时刻，膨胀室228的进气阀232被关闭，空气以等温的方式膨胀，驱动活塞224朝下运动而离开该室。
当压缩室109中的活塞112接近其冲程的顶点时，压缩气体的排气阀204开启，将空气和喷射液体的混合物由该腔室排出到水份分离器137之中，在该分离器中对空气和液体进行分离。水份分离器的大小不仅应能够对空气和液体的混合物进行分离，而且起到液体贮存器和压缩空气的压力储存器的作用。
液体由水份分离器137流到冷却器197，将在压缩过程中所吸收的热量释放到大气之中或其他的散热器中。该液体随后从冷却器19流回到液体喷射阀129，它在压缩过程中控制液体的喷射。由于当压缩室中的压力低于其最大值时，通常将发生液体喷射，就有可能在这段期间内获得充分的喷射。当压力上升到喷射压力并将喷射液流切断时，在压缩室中已经存在足够的液滴。因此，压缩室的活塞112能够有效地使液体在冷却回路中循环，并通过喷射喷口。
冷的压缩空气由水份分离器137流到间壁式换热器224，在那里由燃烧室119所排出的废气预热。
当压缩室109中的活塞112到达其冲程的顶点时，压缩空气的排气阀204关闭，空气进气阀157开启，重新进行一个循环。
活塞在各室中的相位并不是非常严格的，尤其是当发动机中设置有一个大的飞轮来保持其运动时就更是如此。然而，通常希望在曲轴上施加均匀的转矩，以便减少工作应力，保持发动机的恒定运转，并最大限度减少振动。活塞的相位也影响到发动机的“呼吸”，即空气由压缩室到燃烧室的流动和水份分离器和换热器中的压力变化。尽管在附图4所示的实施方案中，燃烧室活塞和压缩室活塞之间的相位差是大约90度，在其他的实施方案中该相位差可以是不同的，但是该相位差的选择是根据实际经验和测量，经过仔细的优选而确定的。
尽管附图4所示的实施方案具有两个水份分离器和两个换热器，但该热机可以被设计成具有较少个数的水份分离器和/或换热器，使之在两个或更多的活塞缸之间共有一个分离器和/或换热器。这样做的好处是可以减小部件的尺寸，改善空气流动的均匀性，并有可能降低成本。
上述任何一种开式循环发动机的另一种实施方案的循环中采用了一个经常在汽油和柴油发动机使用的涡轮增压器。该涡轮增压器包括安装在同一个轴上的一个旋转压缩器和一个旋转膨胀器。该压缩器用于在空气进入等温压缩室之前增加空气的压力。该压缩器最好由上述膨胀器来驱动，后者安装在燃烧室的废气排气口和换热器的废气进气口之间。涡轮增压器的总的功能是提高压缩室和燃烧室中的平均压力，使同样大小的发动机能够输出更大的功率。采用涡轮增压器会略微降低发动机的效率，因为上述旋转压缩器和旋转膨胀器的效率较低，而且涡轮增压器是以绝热的方式而不是以等温的方式来进行压缩的。然而，采用一个涡轮增压器仍然是具有吸引力的，因为在体积不变的情况下发动机能大幅度地提高输出功率，它足以弥补效率的降低。
尽管在附图4所示的实施方案中显示了发动机用曲轴来驱动一个发电机的情形，但该发动机也可以用来驱动汽车或火车的轮子或轮船的螺旋桨。
在另一种实施方案中，可以将活塞连接在一起，用一个旋转机械系统，例如一个内摆动线齿轮，而不是用一个曲轴来驱动。
在再一种实施方案中，将发动机设计成下述的方式将是有利的，即让压缩室中的压缩过程在速度上慢于燃烧室中的燃烧。换句话说，该发动机在单位时间内的燃烧循环数多于压缩循环数。这一点可以通过在压缩室的曲轴和燃烧室的曲轴之间设置适当的齿轮转动装置来实现。如果发动机还具有一个对循环周期各个部分的废热或过热进行回收的空气膨胀室，则可以安排发动机的空气膨胀周期快于等温压缩周期。这种结构的优点是将压缩过程始终保持在一个适当的速度上，以便使气体和液滴之间有足够的换热时间，从而使压缩过程始终是以等温的方式来进行，并降低在每一个循环周期中由燃烧室所造成的热损失，提高发动机的输出功率。
在另一种实施方案中，本发明可以用于对常规的汽油、柴油、或燃气发动机进行冷却而回收热量，将这样的热量转换成为有用功。在其基本形式中，这种实施方案包括一个压缩室和一个相应的活塞，用于通过在压缩的过程中喷射液体来进行等温压缩;一个膨胀室和相应的活塞，该活塞与发动机的驱动装置相连接或者与其他能够利用附加功率的驱动装置相连接;一个换热器，用发动机的热量(否则这样的热量就会被浪费)来预热来自等温压缩室的冷的压缩气体;以及将预热后的压缩气体送入膨胀室的机构。上述换热器可以简单地由发动机燃烧室的壁中形成的通道构成，使压缩气体在进入膨胀室之前流过该通道。等温压缩室和膨胀室和附图4中显示的部件相似，这一实施方案与附图4所示的实施方案之间的主要区别是采用了所有的向不只是其中一部分的等温压缩的压缩气体来进行热回收。
如上所述的任何一种发动机在需要的情况下都可以用于组合式的加热和动力系统。采用非冷凝的气体作为工作气体与采用一种冷凝蒸汽来进行循环相比的优点是使工作温度的选择具有更大的灵活性。对该系统可以简单地进行调节，以便在比仅仅用于发电的温度要高的温度下释放热量。
另一种可以为干燥、供暖或使水加热而提供最大量低温热量的方案是用该热机来驱动一个热泵。由发动机所释放出来的热量可以提供一部分上述的低温热量。此外，发动机输出的机械能可以用来驱动一个热泵，从而提供更多的热量。计算表明，采用一个开式循环的燃烧驱动发动机有可能产生相当于所消耗的燃料热值两倍的低温热量。从大气、地面或大面积的水域可以泵送额外的热量。
同时采用热的和冷的液体喷雾的热泵非常适合于在家庭和公共场所进行供暖和把水加热。然而，也能够设计在高得多的温度下工作的热泵。这种特殊类型的热泵的优点是与依靠液体的蒸发和蒸汽的冷凝的热泵相比，这种热泵不会严格地受特定温度范围的限制。
热泵的另一种实施方案可以包括一些阀门，以便进行和附图2、3、4所示系统相类似的开式循环。然而，在这种情况下，在膨胀室中不进行燃烧，并且冷的膨胀室没有任何形式的间壁式换热器或再生式换热器或液滴喷雾。例如，膨胀室中的空气可以绝热方式膨胀。通过采用一个活塞和液滴喷雾，可以在压缩室中对空气进行等温压缩，并将多余的热量传送给一种常规的散热器。这种形式的热泵可以用于空调和通风系统，使离开该系统的膨胀空气在温度上大大地低于进入的空气。该系统不怎么适合从冷的大气向建筑物供热，因为在膨胀室的内部会产生结冰的问题。
热泵的另一种实施方案和所述的热泵相类似，不同的是没有液体活塞，仅仅采用固体活塞来进行全部的压缩和膨胀。例如，有可能采用液体进行密封，但不采用液体活塞。
如本技术领域里的普通技术人员所知，可以采用许多不同的机械结构来将活塞的直线运动转换成为驱动轴的旋转运动。当采用一个液体活塞，而且机械驱动部分包括一个穿过管道壁的驱动轴或传动轴时，如附图1和2所示，在上述壁和往返运动轴之间必须进行密封。然而，这种结构的一个潜在的缺点是在密封件和驱动轴之间存在可观的摩擦。一种不同的能够减少上述摩擦的方案是采用一个安装在管道水平部分中的齿轮齿条副。其中齿轮可以旋转的方式安装，其轴线与齿条运动的方向相垂直，而齿条以适当的方式和一个固体活塞或多个活塞相连或相配合。该齿轮可以用于驱动一个可旋转的轴，该轴通过一个密封件穿过管道的壁。以便将动力由活塞传出。与液体活塞的运动相联的固体活塞在导管的一个臂或另一个臂中往返运动，并且在一个导管中可以采用一个以上的这样的固体活塞。
此外，活塞的直线运动可以通过在导管中安装某种形式的流体螺旋器，例如螺旋桨或涡轮叶片，转换成为驱动轴的旋转运动，该螺旋器安装在穿过导管壁的驱动轴上。在这种情况下，驱动轴平行于活塞的运动方向。如果在两个马鞍形回路中采用了往复式的驱动轴，可以很方便地将一个压缩回路的驱动轴和另一个膨胀回路的驱动轴相连。可以采用一个液压驱动系统来代替一个机械系统。这样，在上面的情况下，马鞍形回路的每一个组合驱动轴将驱动一个外部液压缸中的往复运动的外驱动活塞，用于泵送液压流体。通过确定液压缸中的阀门的开启时间就可以确定两个组合驱动轴之间的预定相角(例如90度)，以便防止每一个轴在循环周期的某一特定阶段过远地离开其所要的位置。
在采用液体活塞的发动机或热泵中，可以设置浮在液体活塞表面上的固体浮子。
对上述实施方案的改进对于本技术领域里的普通技术人员来说将是显而易见的。
权利要求
1.一种发动机，包括一个充有要被压缩的气体的压缩室；一个第一活塞，用于通过该活塞在所述压缩室中的运动来压缩所述气体；用于驱动所述的第一活塞的驱动机构，使之朝所述压缩室中运动，压缩所述的气体；一个膨胀室和一个第二活塞，用于藉所述第二活塞从膨胀室中朝外运动而让气体在该室中膨胀；用于将压缩气体由所述压缩室输送到膨胀室的机构；一个加热机构，用于加热来自所述压缩室的压缩气体；一个与所述第二活塞相连接的传动机构，用于输出发动机所产生的功率；以及在所述压缩室中形成液体喷雾的机构，用于冷却在该室中被压缩的气体。
2.如权利要求1所述的发动机，它还包括有一个施加热量的机构，用于在膨胀过程中将热量施加给所述膨胀室中的气体。
3.如权利要求2所述的发动机，其中所述的加热机构包括换热器，用于利用在膨胀室中膨胀的气体的热量来预热来自压缩室的压缩气体。
4.如权利要求3所述的发动机，它包括一个返回机构，用于将由膨胀室中出来的膨胀气体送回到所述压缩室，进行再次压缩。
5.如权利要求4所述的发动机，它包括一个冷却机构，用于在所述膨胀气体返回到所述压缩室之前对它进行冷却。
6.如权利要求5所述的发动机，其中所述的冷却机构包括所述的换热器。
7.如权利要求2-6中任何一项权利要求所述的发动机，其中所述的施加热量的机构是一个用于在所述膨胀室中形成热的液体喷雾的机构。
8.如权利要求7所述的发动机，它包括供给机构，用于为所述膨胀室中的液体喷雾提供至少两种不同温度的液体。
9.如权利要求8所述的发动机，它包括用于在气体的压缩过程中在所述膨胀室中形成液体喷雾的机构，以便控制所述气体的温度。
10.如权利要求1所述的发动机，它还包括一个供燃料燃烧的燃烧室，其中所述的加热机构包括一个用于通过由所述燃烧室的至少一部分表面传导的热量来加热来自所述压缩室的压缩气体的机构。
11.如权利要求10所述的发动机，它包括位于所述燃烧室之中的第三活塞，此活塞由所述燃烧室中的燃烧来驱动，并与所述传动机构相连接。
12.如权利要求2或3所述的发动机，它包括第一阀门，用于让作燃烧的气体进入所述的压缩室;第二阀门，用于防止所述膨胀室中的气体通过输送机构回到压缩室，其中所述的施加热量的机构包括在所述膨胀室中提供燃料的机构。
13.如权利要求12所述的发动机，它包括用于控制所述燃料流入所述膨胀室的流速的机构。
14.如上述任何一项权利要求所述的发动机，它还包括控制气体由所述压缩室流向所述膨胀室的流速的机构。
15.如权利要求14所述的发动机，其中所述的阀门包括排气阀，用于让经过压缩的气体由所述压缩室中流出。
16.如权利要求14或15所述的发动机，其中所述的阀门包括进气阀，用于让热的压缩气体由所述加热机构进入所述膨胀室。
17.如上述任何一项权利要求所述的发动机，它还包括另一个室，用于存放需要膨胀的气体;另一个活塞，以便通过该活塞移出所述另一个室的运动使该气体膨胀;用于将压缩气体由所述压缩室输送到所述另一个室的机构;以及在压缩气体进入所述另一个室之前对该气体进行预热的机构。
18.如权利要求17所述的发动机，其中所述的预热机构包括利用通过所述膨胀室的至少一部分表面所传导的热量对压缩气体进行预热的机构。
19.如权利要求17或18所述的发动机，其中所述的预热机构是一个换热器，利用通过来自所述膨胀室的膨胀气体对压缩气体进行预热。
20.如权利要求17-19任何一项权利要求所述的发动机，其中所述的另一个活塞与所述传动机构相连接。
21.如权利要求14-20中的任何一项权利要求所述的发动机，它包括另一个阀门，用于控制压缩气体由所述预热机构向所述另一个室的流动。
22.如上述任何一项权利要求所述的发动机，其中所述的驱动机构包括与所述传动机构相连接的连接装置，使所述第一和第二活塞在使用过程中以预定的相位关系运动。
23.如上述任何一项权利要求所述的发动机，其中所述的驱动机构与所述传动机构相连接，使所述膨胀室中被膨胀气体所驱动的所述第二活塞驱动第一活塞，使之朝所述压缩室中运动。
24.如权利要求22或23所述的发动机，它还包括一个曲轴，此曲轴与所述驱动机构和所述传动机构中的至少一个相连接。
25.如上述任何一项权利要求所述的发动机，它在所述压缩室中完成压缩冲程所需的时间大于在膨胀室中完成膨胀冲程所需的时间。
26.如权利要求17或权利要求18-25中任何一项从属于权利要求17的权利要求所述的发动机，它在所述压缩室中完成压缩冲程所述的时间大于在所述另一个室中完成膨胀冲程所需的时间。
27.如上述任何一项权利要求所述的发动机，它在所述压缩室中完成两次相继压缩所需的时间大于在所述膨胀室中完成两次相继膨胀所需的时间。
28.如上述任何一项权利要求所述的发动机，它包括用于存放液体的机构，并包括形成了至少一个所述活塞的导管，在所述存液机构的一端形成了一个所述的室。
29.如权利要求28所述的发动机，其中所述的存液机构形成了一个通常为U形的导管。
30.如权利要求29所述的发动机，它包括，一对通常为U形的导管，其中每一个U形导管内装有一个液体活塞，在一个导管的每一个臂上形成了一个压缩室，在另一个导管的每一个臂上形成了一个膨胀室;用于将压缩气体由所述压缩室中的一个输送到所述膨胀室中的一个的机构;以及将压缩气体由所述另一个压缩室输送到另一个膨胀室的机构。
31.如权利要求30所述的发动机，它还包括另一对上述通常为U形的导管，当使用时，在其中一个具有膨胀室的U形导管中的液体活塞与具有所述另一个膨胀室的相应U形导管中的液体活塞在相位上相差90度。
32.如权利要求28-31任何一项权利要求所述的发动机，其中所述的第一活塞或每一个所述的第一活塞都是液体活塞，所述驱动机构是一个与所述第一活塞相配合的部件，该部件的运动导致了所述活塞在至少一个方向上的运动。
33.如权利要求32所述的发动机，其中所述的部件包括一个固体活塞。
34.如权利要求33所述的发动机，它包括一个与所述固体活塞相连接的轴，该轴穿过含有所述液体活塞的导管。
35.如权利要求28-34中的任何一项权利要求所述的发动机，其中所述的第二活塞或所述第二活塞中的每一个都是液体活塞，所述传动机构是一个与所述第二活塞相配合的部件，该部件的运动导致了所述液体活塞在至少一个方向上的运动。
36.如权利要求35所述的发动机，其中所述的部件是一个固体活塞。
37.如权利要求36所述的发动机，它包括一个与所述固体活塞相连接的轴，该轴穿过含有所述液体活塞的导管。
38.如权利要求28-37中的任何一项权利要求所述的发动机，它包括为一个或每一个喷射机构提供由液体活塞取出的液体的机构。
39.如权利要求38所述的发动机，其中所述的提供机构包括一个由所述液体活塞驱动的泵。
40.如权利要求1-27中的任何一项权利要求所述的发动机，其中所述第一和第二活塞由固体材料制成。
41.如权利要求40所述的发动机，它包括一对所述的压缩室和一对所述的膨胀室，在使用的过程中，压缩室中的活塞上互之间依反相运动，膨胀室中的活塞也依反相运动。
42.如权利要求41所述的发动机，它包括另一对压缩室和另一对膨胀室，在使用的过程中，一对压缩室中的活塞与另一对压缩室中的活塞在相位上基本上相差90，一对膨胀室中的活塞与另一对膨胀室中的活塞在相位上基本上相差90度。
43.如上述任何一项权利要求所述的发动机，其中所述换热器包括一个回热器。
44.如上述任何一项权利要求所述的发动机，其中所述换热器包括一个间壁式换热器。
45.如上述任何一项权利要求所述的发动机，它包括用于分离由一个或每一个压缩室和/或一个或每一个膨胀室排出之气体中的液体的分离器。
46.如上述任何一项权利要求所述的发动机，它包括用于将至少具有两种不同温度的液体作为喷射液体送入一个或每一个压缩室的输送机构。
47.如权利要求46所述的发动机，它包括于气体的膨胀过程中在一个或每一个压缩室中形成液体喷雾的机构，用于控制该气体的温度。
48.一种热泵，包括一个容纳需要膨胀的气体的膨胀室和第一活塞，通过该活塞的朝着离开该膨胀室的运动使该气体膨胀;一个容纳了需要被压缩的气体的压缩室和第二活塞，通过该活塞的朝着该压缩室的运动来压缩该气体;用于将气体由上述膨胀室和压缩室中的一个输送到另一个的机构;用于在所述压缩室中形成液体喷雾的机构，以便吸收在压缩过程中来自所述气体的热量;其中所述的第二活塞由外部的动力源驱动，朝所述压缩室内运动，以便压缩气体。
49.如权利要求48所述的热泵，它还包括用于当气体在膨胀室中膨胀的过程中为该气体提供热量的机构。
50.如权利要求48或49所述的热泵，它包括换热器，利用由压缩室排出的压缩气体的热量来预热所述的膨胀气体。
51.如权利要求48-50中的任何一项权利要求所述的热泵，它包括将离开所述压缩室的压缩气体送回所述膨胀室中以便进行再膨胀的机构。
52.如权利要求51所述的热泵，它包括用于在压缩气体返回所述膨胀室之前对它进行冷却的机构。
53.如权利要求52所述的热泵，其中所述的冷却机构是所述的换热器。
54.如权利要求49或权利要求50-53中从属于权利要求49的任何一项权利要求所述的热泵，其中所述的提供热量的机构是在所述膨胀室中形成冷液体喷雾的机构。
55.如权利要求48-54中任何一项权利要求所述的热泵，它包括用于存放液体的机构，还包括形成了至少一个所述活塞的导管，所述存放机构的一端包括所述各室中的一个室。
56.如权利要求55所述的热泵，其中所述的存放机构通常是一个U形导管。
57.如权利要求56所述的热泵，它包括一对通常呈U形的导管，其中每一个U形导管内装有一个液体活塞，在一个导管的每一个臂上形成了一个压缩室，在另一个导管的每一个臂上形成了一个膨胀室;用于将膨胀气体由所述膨胀室中的一个输送到所述压缩室中的一个的机构;以及将膨胀气体由另一个膨胀室输送到另一个压缩室的机构。
58.如权利要求48-57中任何一项权利要求所述的热泵，其中所述的换热器包括一个回热器。
59.如权利要求48-58中的任何一项权利要求所述的热泵，它包括用于分离由所述压缩室和/或膨胀室中排出的气体中的液体的分离器。
60.如权利要求55-59中任何一项权利要求所述的热泵，它包括为所述一个或每一个形成液体喷雾的机构提供来自液体活塞的液体的机构。
61.如权利要求60所述的热泵，其中所述的提供机构包括一个由一个液体活塞驱动的泵。
62.如权利要求48-61中任何一项权利要求所述的热泵，它还包括所述第一和第二活塞之间的连接机构，用以保持它们之间具有预定的相位关系。
63.如权利要求62所述的热泵，其中所述的连接机构是一个曲轴。
64.如上述任何一项权利要求所述的热泵，其中所述的第一活塞由外部的动力源驱动。
65.如上述任何一项权利要求所述的热泵，它由一个电机来驱动。
66.如上述任何一项权利要求所述的热泵，它包括所述第一活塞和所述外部动力源之间的连接机构，其中所述的连接机构能承受由所述压缩室中的气体压力所产生的大的力。
67.如上述任何一项权利要求所述的热泵，它包括所述第一活塞和所述外部动力源之间的连接机构，其中所述的连接机构能承受由所述膨胀室中的气体压力所产生的大的力。
68.如上述任何一项权利要求所述的热泵，它包括供给机构，用于为所述膨胀室中的液体喷射提供具有至少两种不同温度的液体。
69.如权利要求68所述的热泵，它包括在所述气体进行压缩的过程中在所述膨胀室内形成液体喷雾的机构，用于控制所述气体的温度。
70.如权利要求48-69中任何一项权利要求所述的热泵，它包括供给机构，用于为所述压缩室中的液体喷雾提供具有至少两种不同温度的液体。
71.如权利要求70所述的热泵，它包括在所述气体膨胀的过程中在所述压缩室内形成液体喷雾的机构，用于控制所述气体的温度。
72.一种用于燃机的冷却设备，它包括，一个容纳需要被压缩的气体的压缩室和一个第一活塞，通过该活塞进入该压缩室的运动对该气体进行压缩;驱动机构，用于驱动所述第一活塞，使之进入压缩室，对所述气体进行压缩;一个膨胀室和一个第二活塞，通过该第二活塞朝着离开膨胀室的运动使气体在该室中膨胀;用于将压缩气体由所述压缩室送到所述膨胀室的输送机构;利用所述燃烧室所产生的热量对来自所述压缩室的压缩气体加热的换热器;所述第二活塞和所述燃机的输出驱动装置之间的连接机构;以及在所述压缩室中形成液体喷雾的机构，用于冷却被压缩的气体。
73.如权利要求72所述的冷却设备，其中所述的换热器利用通过所述燃烧室的至少一部分表面所传导的热量来加热来自压缩室的压缩气体。
74.如权利要求72或73所述的冷却设备，其中所述换热器利用由所述燃烧室排出的废气的热量来加热来自压缩室的压缩气体。
全文摘要
一种发动机，它包括一个充有要被压缩的气体的压缩室和一个第一活塞；用于驱动所述的第一活塞的驱动机构；一个膨胀室和一个第二活塞。该热机包括用于将压缩气体由所述压缩室输送到所述膨胀室的机构；一个加热机构，用于加热来自所述压缩室的压缩气体；一个与所述第二活塞相连接的传动机构，用于输出发动机所产生的动力；以及在所述压缩室中形成液体喷雾的机构，用于冷却在该室中被压缩的气体。
文档编号F01B21/00GK1104711SQ9312139
公开日1995年7月5日 申请日期1993年12月28日 优先权日1993年12月28日
发明者M·W·E·康尼 申请人:国家电力有限公司