公开一种维氏热泵，其中热和冷位移件分别通过第一和第二电磁致动器控制。第一致动器能够使热位移件在行程的第一端和第二端之间运动，而冷位移件保持静止，并且第二致动器能够使冷位移件运动，而热位移件保持静止。现有技术曲柄配置不能提供一个位移件驻留而使另一位移件运动。根据本发明的实施方式的位移件的致动提供比曲柄配置更高的性能系数。
热位移件，其布置在缸套内，热位移件具有大致筒形主体、位于筒形主体的第一端处的第一盖和联接到筒形主体的第二端的第二盖；
热位移件致动器，其联接到缸和壳体中的至少一个；以及电子控制单元(ECU)，其电子联接到热位移件致动器，其中热位移件基于从ECU到热位移件致动器的信号在与热位移件相关的行程的第一端和与热位移件相关的行程的第二端之间在缸内往复；
冷位移件，其布置在缸套内，冷位移件具有大致筒形主体、位于冷位移件的筒形主体的第一端处的第三盖和联接到冷位移件的筒形主体的第二端的第四盖；以及冷位移件致动器，其联接到缸和壳体中的至少一个，位于壳体内并电子联接到ECU，其中冷位移件基于从ECU到冷位移件致动器的信号在与冷位移件相关的行程的第一端和与冷位移件相关的行程的第二端之间在缸内往复；
其中，在热泵的操作期间，热位移件在与热位移件相关的行程的第一端和第二端处具有可选择驻留周期，并且冷位移件在与冷位移件相关的行程的第一端和第二端处具有可选择驻留周期。
热位移件致动器是热位移件机电装置，其包括：第一弹簧，其联接在与热泵相连的第一静止元件和热位移件之间；
第二弹簧，其联接在与热泵相连的第二静止元件和热位移件之间，第一弹簧在朝着壳体的冷端的方向上在热位移件上施加力，并且第二弹簧在朝着壳体的热端的方向上在热位移件上施加力；
电磁体，与热位移件相关，联接到与热泵相关的第三静止元件并电联接到ECU；
第二铁磁元件，其联接到热位移件，如沿着热位移件在缸内的行程方向测量，第一铁磁元件和第二铁磁元件以预定距离隔开定位。
第三静止元件包括刚性固定到壳体的冷端并延伸到壳体内的中央定位柱；
热位移件的第二盖限定中央定位开口以容纳进入热位移件的柱；以及第一弹簧和第二弹簧定位在热位移件的筒形主体和缸套之间。
第三静止元件包括刚性固定到壳体的冷端并延伸到壳体内的中央定位柱；
第一静止元件和第二静止元件在远离壳体的冷端的位置处联接到柱；
热位移件的第二盖限定中央定位开口以容纳进入热位移件的柱；以及第一弹簧和第二弹簧定位在热位移件内侧。
冷位移件，其布置在缸套内，冷位移件具有大致筒形主体、联接到冷位移件的筒形主体的第一端的第三盖和联接到冷位移件的筒形主体的第二端的第四盖；以及冷位移件机电装置，其包括：第三弹簧，其联接在与热泵相关的第四静止元件和冷位移件之间；
第四弹簧，其联接在与热泵相关的第五静止元件和冷位移件之间，第三弹簧在朝着壳体的冷端的方向上在冷位移件上施加力，并且第四弹簧在朝着壳体的热端的方向上在冷位移件上施加力；
电磁体，其与冷位移件相关，联接到柱并电子联接到ECU，以及第三铁磁元件，其联接到冷位移件，以及
第四铁磁元件，其联接到冷位移件，其中冷位移件的第三盖和第四盖限定中央定位开口以容纳经过冷位移件的柱，并且第三弹簧和第四弹簧定位在冷位移件内侧。
在热位移件位于行程的第一端时，ECU指令电磁体通过保持电流激励以作用在第一铁磁元件上，从而将热位移件保持在行程的第一端处长达第一可选择驻留周期；
在第一驻留周期之后，ECU指令电磁体去激励，使得由于作用在热位移件上的不平衡弹簧力，热位移件朝着行程的第二端运动；
在热位移件靠近行程的第二端时，ECU指令电磁体通过足以拉动热位移件的第二铁磁元件的抓持电流激励，使得热位移件运动到行程的第二端；
在热位移件位于行程的第二端时，ECU指令电磁体通过保持电流激励以作用在第二铁磁元件上，从而将热位移件保持在行程的第二端处长达第二可选择驻留周期；以及在第二驻留周期之后，ECU指令电磁体去激励，使得由于作用在热位移件上的不平衡弹簧力，热位移件朝着行程的第一端运动。
7.根据权利要求1所述的热泵，其中，热位移件具有位于第一盖的外表面内的第一凹槽和位于第二盖的外表面内的第二凹槽，热泵还包括：第一密封环，其布置在第一凹槽内；以及
第二密封环，其布置在第二凹槽内，其中环在热位移件的往复期间骑跨在缸套的表面上。
8.根据权利要求1所述的热泵，其中：壳体和缸套限定定位在壳体的内表面和缸套的外表面之间的环形腔室，热泵还具有：布置在环形腔室内的热换热器；温热交换器；冷换热器和冷热交换器；并且热换热器、温热交换器、冷换热器和冷热交换器以给定顺序布置在所配置的环形腔室内，其中热换热器邻近壳体的热端，并且冷热交换器邻近壳体的冷端。
9.根据权利要求8所述的热泵，还包括：邻近壳体的热端布置在环形腔室内的热热交换器。
10.根据权利要求9所述的热泵，还包括：设置在壳体外部的燃烧器，其中燃烧产品来自于流体联接到热热交换器的燃烧器。
11.根据权利要求8所述的热泵，其中：壳体包括热端和冷端；壳体和缸套限定定位在壳体的内表面和缸套的外表面之间的环形腔室；热位移件和冷位移件在壳体内限定三个腔室：邻近壳体的热端的热腔室；邻近壳体的冷端的冷腔室以及定位在热位移件和冷位移件之间的温腔室；并且缸套限定：缸套内的第一组开口，其邻近壳体的热端以便在热腔室和环形体积之间提供流体连通；
缸套中间内的第二组开口，其在温腔室和环形腔室之间提供流体连通；以及壳体的第二端内的第三组开口，其在冷腔室和环形腔室之间提供流体连通。
12.一种用于泵送热泵内的流体的系统，包括：壳体，其中具有缸；
热位移件，其布置在缸内，并具有主体、联接到主体的第一端的第一盖和联接到主体的第二端的第二盖；
电子控制单元(ECU)，其电子联接到热致动器，其中热位移件在行程的第一端和行程的第二端之间运动；热位移件在行程的第一端处驻留长达第一可选择周期，并且热位移件在行程的第二端处驻留长达第二可选择周期。
13.根据权利要求12所述的系统，还包括：冷位移件，其布置在缸内，并具体主体、联接到冷位移件的主体的第一端的第三盖和联接到冷位移件的主体的第二端的第四盖；以及冷致动器，其联接到冷位移件并电子联接到ECU；
其中热致动器允许热位移件驻留，同时冷位移件运动，并且第二致动器允许冷位移件驻留，同时热位移件运动。
14.根据权利要求12所述的系统，其中：第一致动器包括：
中央定位柱，其刚性地固定到壳体的冷端并延伸到壳体内；
第一铁磁元件和第二铁磁元件，其固定到热位移件，其中如沿着缸的中心轴线测量，第一铁磁元件从第二铁磁元件移位预定距离；以及第一电磁体，其在第一铁磁元件和第二铁磁元件之间的位置处联接到柱；以及第二致动器包括：第三弹簧和第四弹簧，其联接在柱和冷位移件之间；
第三铁磁元件和第四铁磁元件，其固定到冷位移件，其中如沿着缸的中心轴线测量，第三铁磁元件从第四铁磁元件移位预定距离；以及第二电磁体，其在第三铁磁元件和第四铁磁元件之间的位置处联接到柱。
每个冷位移件和热位移件具有更靠近热端的行程的第一端和更靠近冷端的行程的第二端；
指令冷致动器将冷位移件从其行程的第一端运动到其行程的第二端，同时指令热致动器将热位移件保持在其行程的第一端处；以及指令热致动器将热位移件从其行程的第二端运动到其行程的第一端，同时指令冷致动器将冷位移件保持在其行程的第二端处。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，每个致动器包括：电磁体，其联接到壳体；
第一弹簧，其联接在相关位移件和联接到壳体的静止元件之间；以及第二弹簧，其联接在相关位移件和联接到壳体的静止元件之间；
第二弹簧在朝着热端的方向上在相关位移件上施加力；以及电磁体能够在电磁体被激励时吸引铁磁块。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，热致动器造成热位移件从下部位置运动到上部位置，这借助于：使电磁体去激励；
在第一铁磁块由于热位移件因为不平衡弹簧力运动而接近电磁体时通过抓持电流激励电磁体；以及在第一铁磁块接近电磁体时通过保持电流激励电磁体。
具有机电致动位移件的热泵
[0001] 相关申请的交叉参考
[0002] 本申请要求2012年4月11日提交的美国临时专利申请61/622,547和2012年10月29日提交的美国临时专利申请61/719,844的优先权。
技术领域
[0003] 本发明涉及用于泵送热泵中的流体的系统和方法。
背景技术
[0004] 维氏热泵在1917年1月29日提交的美国U.S.1,275,507中公开。在维氏热泵10中，两个位移件(或活塞)设置在缸20内并限定三个腔室：热腔室22和温腔室24之间的热位移件12以及温腔室24和冷腔室26之间的冷位移件16，其例子在图1中示出。位移件12和16在缸20内往复以改变三个腔室内所含流体的体积。例如，在热位移件12位于朝着热腔室22的极端位置时，大部分流体被推动离开热腔室22，经过热热交换器28。热热交换器28联接到被供应燃料和空气的燃烧器27。流体接着运行经过热换热器30、温热交换器32、冷换热器34和冷热交换器36。元件28、30、32、34和36在缸的外部流体连接到缸20，并具有位于温热交换器32和温腔室24之间的通道38。位移件12和16被造成通过曲柄配置40往复。
[0005] 通过曲柄配置40驱动的位移件12和16的运动大致是正弦的，如图2所示。位移件的高度及其在往复期间的运动作为图2的曲柄角的角度函数示出并表示为D_h和D_c。三个腔室内的热和冷位移件之间的体积在图2中还表示为：V_h、V_w和V_c。冷位移件16的运动偏离热位移件12的运动一相位角，例如90°。腔室22、24和26以很小的流动限制彼此流体联接。因此，三个腔室内的压力大致相同，但是作为时间的函数变化，如图3所示。缸内的压力在经过热交换器28的流动使得闭合系统内的气体的总体温度升高时升高，并且缸内的压力在能量经由温热交换器32汲取时降低。
[0006] 维氏热泵是闭合热动态循环，其中工作流体(气体)保持在缸内。能量经过热交换器来往于热泵传输。在加热模式中，能量经由燃烧器或其他高温能量源传输到热腔室。能量也从环境传输到冷热交换器中的流体。被传输用于例如空间加热或热水加热的能量经由热交换器从温腔室汲取。由于一些能量从环境汲取，性能系数基本上在许多操作状况下超过1。这与标准炉形成对比，在标准炉中，性能系数最佳可以接近1，并且只在废气中的水蒸气凝结的炉中。热泵还可用于通过冷热交换器中汲取的能量冷却。维氏热泵已经用来生成低温温度。
[0007] 经过系统建模，已经发现如果位移件之一可以在其极端位置处驻留同时另一位移件运动(反之亦然)，而不是它们都连续运动，即分离一固定相位角，系统的性能系数可以得到改善。
[0008] 为了在维氏热泵中获得合理性能，作为非限定例子，工作流体是氢或氦，其被加压到大约100巴。压力在缸内相对恒定，但是作为曲柄角的角度的函数变化，如图3所示。
[0009] 防止任何这些气体泄漏是挑战。在现有技术的维氏热泵中，与位移件联接的转动曲柄配置可以定位在壳体外侧，使得附接到位移件的运动连接杆经过壳体的壁。围绕运动和摇动连接杆的密封存在密封挑战。替代地，转动曲柄配置位于密封壳体内，导致较沉重、体积大的热泵。
发明内容
[0010] 为了克服现有技术的至少一个缺陷，公开一种热泵，其包括具有外壁和位于壳体内的缸套的壳体、布置在缸套内的热位移件、联接到缸和壳体中的至少一个的热位移件致动器以及电子联接到热位移件致动器的电子控制单元(ECU)。ECU可以通过例如线的实体连接、经由无线通讯或任何其他适当方式电子联接。热位移件基于从ECU到热位移件致动器的信号在与热位移件相关的行程的第一端和与热位移件相关的行程的第二端之间在缸内往复。热位移件具有大致筒形主体、位于筒形主体的第一端处的第一盖以及联接到筒形主体的第二端的第二盖。第一盖可以与位移件的主体一体形成或通过任何适当方法(例如通过以下非限定例子：摩擦焊接、铜焊、焊接、粘接、螺栓连接和夹持)联接到位移件的主体。除了大致筒形横截面之外，热位移件的主体可具有任何形状的横截面，例如椭圆形或多边形，作为非限定例子。热泵可进一步包括：布置在缸套内的冷位移件和联接到缸和壳体中的至少一个并电子联接到ECU的冷位移件致动器。冷位移件基于从ECU到冷位移件致动器的信号在与冷位移件相关的行程的第一端和与冷位移件相关的行程的第二端之间在缸内往复。冷位移件具有大致筒形主体、联接到冷位移件的筒形主体的第一端的第三盖和联接到冷位移件的筒形主体的第二端的第四盖。
[0011] 在热泵的操作期间，热位移件在与热位移件相关的行程的第一和第二端处具有可选择驻留周期，并且冷却位移件在与冷位移件相关的行程的第一和第二端处具有可选择驻留周期。
[0012] 壳体具有热端和冷端。热位移件致动器是热位移件机电装置，其具有联接在与热泵相关的第一静止元件和热位移件之间的第一弹簧、联接在与热泵相关的第二静止元件和热位移件之间的第二弹簧、与热位移件相关并联接到和热泵相关的第三静止元件且电子联接到ECU的电磁体、联接到热位移件的第一铁磁元件以及联接到热位移件的第二铁磁元件。第一弹簧在朝着壳体的冷端的方向上在热位移件上施加力，并且第二弹簧在朝着壳体的热端的方向上在热位移件上施加力。如沿着热位移件在缸内的行程方向测量，第一和第二铁磁元件以预定距离隔开定位。
[0013] 在一种实施方式中，第一和第二静止元件联接到缸；第三静止元件是刚性固定到壳体的冷端并延伸到壳体内的中央定位柱；热位移件的第二盖限定中央定位开口以容纳进入热位移件的柱；并且第一和第二弹簧定位在热位移件的筒形主体和缸套之间。
[0014] 在另一实施方式中，第三静止元件包括刚性固定到壳体的冷端并延伸到壳体内的中央定位柱；第一和第二静止元件在远离壳体的冷端的位置处联接到柱；热位移件的第二盖限定中央定位开口以容纳进入热位移件的柱；并且第一和第二弹簧定位在热位移件内侧。一些实施方式还包括：布置在缸套内的冷位移件。冷位移件具有大致筒形主体、联接到冷位移件的筒形主体的第一端的第三盖，以及联接到冷位移件的筒形主体的第二端的第四盖。热泵还包括冷位移件机电装置，其包括联接在与热泵相关的第四静止元件和冷位移件之间的第三弹簧、联接在与热泵相关的第五静止元件和冷位移件之间的第四弹簧、与冷位移件相关并联接到柱且电子联接到ECU的电磁体；以及联接到冷位移件的第三铁磁元件；以及联接到冷位移件的第四铁磁元件。冷位移件的第一和第二盖限定中央定位开口以容纳经过冷位移件的柱，并且第三和第四弹簧定位在冷位移件内侧。第三弹簧在朝着壳体的冷端的方向上在冷位移件上施加力，并且第四弹簧在朝着壳体的热端的方向上在冷位移件上施加力。
[0015] 在热位移件位于行程的第一端时，ECU指令电磁体通过保持电流激励以作用在第一铁磁元件上以便将热位移件保持在行程的第一端处长达第一可选择驻留周期。在第一驻留周期之后，ECU指令电磁体去激励，使得由于作用在热位移件上的不平衡弹簧力，热位移件朝着行程的第二端运动。在热位移件靠近行程的第二端时，ECU指令电磁体通过足以拉动热位移件的第二铁磁元件的抓持电流激励，使得热位移件运动到行程的第二端。在热位移件位于行程的第二端时，ECU指令电磁体通过保持电流激励，以作用在第二铁磁元件上，以便将热位移件保持在行程的第二端处长达第二可选择驻留周期。在第二驻留周期之后，ECU指令电磁体去激励，使得由于作用在热位移件上的不平衡弹簧力，热位移件朝着行程的第一端运动。
[0016] 在一些实施方式中，热位移件具有位于第一盖的外表面内的第一凹槽和位于第二盖的外表面的第二凹槽。第一密封环设置在第一凹槽内，并且第二密封环设置在第二凹槽内。环在热位移件的往复期间骑跨在缸套的表面上。
[0017] 壳体和缸套限定定位在壳体的内表面和缸套的外表面之间的环形腔室。热泵还可包括布置在环形腔室内的热换热器、温热交换器、冷换热器和冷热交换器。温热交换器、冷换热器和冷热交换器以所列举顺序配置在所配置的环形腔室内，其中热换热器邻近壳体的热端，并且冷热交换器邻近壳体的冷端。热热交换器还可邻近壳体的热端配置在环形腔室内。燃烧器可设置在壳体外部，其中燃烧产品来自于流体联接到热热交换器的燃烧器。
[0018] 热和冷位移件在壳体内限定三个腔室：邻近壳体的热端的热腔室；邻近壳体的冷端的冷腔室以及定位在热和冷位移件之间的温腔室。缸套限定：邻近壳体的热端在缸套内的第一组开口，以提供热腔室和环形体积之间的流体连通；位于缸套的中间的第二组开口，以提供温腔室和环形腔室之间的流体连通；以及位于壳体的第二端处的第三组开口，以提供冷腔室和环形腔室之间的流体连通。
[0019] 根据其他实施方式，用于泵送热泵内的流体的系统包括：其中具有缸的壳体；热位移件，其布置在缸内，并具有主体、联接到主体的第一端的第一盖和联接到主体的第二端的第二盖；热致动器，其联接到热位移件；以及电子控制单元(ECU)，其电子联接到热致动器。热位移件在行程的第一端和行程的第二端之间运动。热位移件在行程的第一端处驻留长达第一可选择周期，并且热位移件在行程的第二端处驻留长达第二可选择周期。该系统还包括冷位移件，冷位移件布置在缸内，并具体主体、联接到冷位移件的主体的第一端的第三盖和联接到冷位移件的主体的第二端的第四盖；以及冷致动器，其联接到冷位移件并电子联接到ECU。热致动器允许热位移件驻留，同时冷位移件运动，并且第二致动器允许冷位移件驻留，同时热位移件运动。驻留指的是将位移件之一保持在固定位置，例如造成热位移件停留在行程的第一端处长达可选择周期。
[0020] 第一致动器可包括中央定位柱，其刚性地固定到壳体的冷端并延伸到壳体内；第一和第二弹簧，其联接在柱和热位移件之间；第一和第二铁磁元件，其固定到热位移件；以及第一电磁体，其在第一和第二铁磁元件之间的位置处联接到柱。如沿着缸的中心轴线测量，第一铁磁元件从第二铁磁元件移位预定距离。第二致动器包括第三和第四弹簧，其联接在柱和冷位移件之间；第三和第四铁磁元件固定到冷位移件，以及第二电磁体，其在第三和第四铁磁元件之间的位置处联接到柱。如沿着缸的中心轴线测量，第三铁磁元件从第四铁磁元件移位预定距离。
[0021] 公开一种操作热泵的方法，其中指令冷致动器将冷位移件从其行程的第一端运动到其行程的第二端，同时指令热致动器将热位移件保持在其行程的第一端处。该方法还可包括指令热致动器将热位移件从其行程的第二端运动到其行程的第一端，同时指令冷致动器将冷位移件保持在其行程的第二端处。
[0022] 第一弹簧在朝着冷端的方向上在相关位移件上施加力；第二弹簧在朝着热端的方向上在相关位移件上施加力；并且电磁体能够在电磁体激励时吸引铁磁块或元件。
[0023] 通过使电磁体去激励；在上部铁磁块由于热位移件因为不平衡弹簧力运动而接近电磁体时通过抓持电流激励电磁体；并且在上部铁磁块接近电磁体时通过保持电流激励电磁体，第一致动器造成热位移件从下部位置运动到上部位置。
[0024] 根据本发明的实施方式的优点在于由于位移件的更希望的运动而在冷却和加热中提供更高的性能系数，例如将热位移件保持就位并同时运动冷位移件的能力。相比之下，现有技术的热泵具有以恒定相位角差连续运动的两个位移件。
[0025] 本发明的又一优点在于致动器被封闭在热泵的壳体内。这有利地帮助保持氦、氢或其他低分子量工作流体密封在壳体内。
[0026] 维氏热泵(其中位移件以两者之间的90°的相位移大致正弦地往复)使用温热交换器，如图1作为元件32示出。这里描述的每个实施方式中的用于致动位移件的替代系统(其中位移件之一在极端位置驻留，同时另一位移件运动)不依赖于温腔室24和冷换热器34之间的第二温热交换器。消除了一个温热交换器是所公开的实施方式提供的另一优点。
附图说明
[0027] 图1是维氏热泵的示意图；
[0028] 图2是指示维氏热泵中的位移件的正弦运动以及三个腔室内的体积的图表；
[0029] 图3是示出维氏热泵内的压力随着位移件如图2的运动的图表；
[0030] 图4-6是根据本发明的实施方式的维氏热泵的图示；
[0031] 图7-10是维氏热泵的示意图，其中位移件被示出位于其行程端部，用来描述可以操作热泵的循环；以及
[0032] 图11A-C示出分别与热、冷和温腔室相关的热动态循环。
具体实施方式
[0033] 本领域普通技术人员将理解到，参考任一附图描述和说明的实施方式的多种特征可以与一个或多个其他附图中示出的特征组合，以形成没有明确描述和说明的替代实施方式。所示特征的组合为典型应用提供代表性实施方式。但是，根据本发明的教导的特征的多种组合和变型对于特定应用或实践来说是希望的。本领域普通技术人员将认识到类似应用或实践，而不管是否明确描述或说明。
[0034] 在图4中，热泵250的一种实施方式具有壳体252。缸套254设置在壳体252内。热和冷位移件262和266分别示出在其中间位置，即不位于行程的任一端处。位移件限定三个腔室：热腔室272、温腔室和冷腔室276。如图4所示的位移件262和266的位置，温腔室没有体积，并且因此不提供附图标记。壳体252具有热端282和冷端286。
[0035] 柱288固定到壳体252的冷端286，并沿着壳体252的中心轴线延伸到壳体252内。柱288延伸经过冷位移件266并延伸到热位移件262的一端内。柱288具有布置在热位移件262内的电磁体292a和292c以及布置在冷位移件266内的电磁体296a和296c。
[0036] 铁磁元件或块222a、222b和222c固定到热位移件262。如沿着壳体252的轴线的方向测量，块222a、222b和222c彼此移位预定距离。预定距离与热位移件262的希望行程相关。铁磁块226a、226b和226c固定到冷位移件266。如沿着壳体252的轴线的方向测量，块226a、
226b和226c彼此移位预定距离。
[0037] 在图4的实施方式中，弹簧242a的一端附接到热位移件262的顶端，并且弹簧242a的另一端附接到突片282。第二弹簧242b在一端处附接到突片282，并附接到热位移件262的底端。类似地，冷位移件具有联接在突片286和冷位移件266的顶端和底端之间的弹簧246a和246b。
[0038] 另一实施方式在图5中示出，热泵350具有壳体352，其中热位移件362和冷位移件366布置在缸354中。热腔室372限定在壳体352的热端382和热位移件362之间。冷腔室376限定在壳体352的冷端382和冷位移件366之间。可以运动热位移件362的热致动器包括：可以由铁磁材料制成的两个块402和412以及电磁体392，电磁体392可以在电子控制单元(ECU)
400控制下激励以抓持块402和412之一或另一个从而造成热位移件362运动。热位移件还具有两个弹簧442，一个弹簧联接在盖422和作为缸354一部分的突片443之间，并且另一弹簧联接在盖432和突片443之间。突片443可以是柱形唇部或设置在缸354的周边上的多个突片，以便为弹簧提供附接。在一些实施方式中，盖422和432设置密封件455，密封件455在往复期间骑跨在缸354上。类似地，运动冷位移件366的冷致动器包括：两个块406和416，其可以通过由ECU 400控制的电磁体396吸引。冷致动器也具有弹簧446，一个弹簧联接在突片
447和冷位移件366的盖426之间，并且另一弹簧联接在突片447和冷位移件的盖436之间。
[0039] 电磁体392和396安装在联接到壳体352的冷端386的中央定位柱388上。柱388延伸经过冷位移件366的端盖，并经过热位移件362的盖432。激励电磁体的电线经过柱388。
[0040] 弹簧446受到压缩，上部弹簧施加向下的力，并且下部弹簧施加向上的力。冷位移件366在图5中通过彼此抵消的弹簧力处于平衡。电磁体396可以被致动，以造成冷位移件366从平衡位置运动。
[0041] 在位移件运动时，多个腔室内的流体从腔室推出到位于壳体352的内表面和缸354的外表面之间的环形腔室378内。开口设置在缸354内以允许缸354内的腔室和缸354外侧的环形腔室378之间的流动。开口462允许热腔室372和环形腔室378之间的流动；开口464允许温腔室(在图5所示的平衡位置没有体积)和环形腔室378之间的流动；并且开口466允许冷腔室376和环形腔室378之间的流动。
[0042] 环形腔室378具有布置在环形腔室378内的热换热器452、温热交换器454、冷换热器456和冷热交换器458。在热泵350以加热模式操作时，水或其他流体经过温热交换器454经过穿刺壳体352的入口474和出口472提供。替代地，经过热交换器454的流动是与图5所示的相反方向。在加热和冷却模式中，流体经过具有穿刺壳体352的入口476和出口478的冷热交换器458提供。
[0043] 热动态循环效率通过减小热泵中的死体积来改善。环形腔室内的体积是死体积的部分。同样，弹簧在其中定位在位移件外侧的体积是死体积。希望使换热器和热交换器尽可能紧凑以减小体积。在图6的另一实施方式中，弹簧设置在位移件内侧。
[0044] 现在参考图6，热泵50具有壳体52和缸54，热位移件62和冷位移件66布置在缸54中。位移件62和66在缸套54内往复，沿着中心轴线53运动。用于热位移件62的致动器包括铁磁元件102和112、电磁体92、弹簧142和144以及支承结构143。支承结构143如图6所示附接到电磁体92，其联接到联接到壳体52的冷端86的中央柱88。柱88、电磁体92和支承结构143是静止的。在热位移件62从图6所示的位置向上往复时，弹簧142被压缩到比其平衡预加载更大的程度，并且弹簧144处于较低的压缩下。电磁体92被激励以克服弹簧142和144的弹簧力朝其拉动铁磁元件102或112。类似地，冷位移件66具有冷致动器，冷致动器包括联接到柱88的电磁体96、联接到电磁体96的支承结构147以及弹簧146和148。弹簧146联接在支承结构147和冷位移件66的第一盖126之间。弹簧148联接在支承结构147和冷位移件66的第二盖
136之间。电磁体92和96经由电子控制单元(ECU)100控制。
[0045] 铁磁块102、112、106和116分别联接到：与热位移件62的第一盖122和热位移件62的第二盖132相关的支座、与冷位移件66的第一盖126和冷位移件66的第二盖136相关的支座。开口设置在热位移件62的第二盖132以及冷位移件66的第一和第二盖126和136内，以容纳向上延伸经过冷位移件66并进入热位移件62的柱88。
[0046] 环形腔室形成在壳体52的内表面的一部分和缸54的外表面之间。热换热器152、温热交换器154、冷换热器156和冷热交换器158布置在环形腔室内。经过缸54的开口允许流体经过缸54的内部之间到环形腔室。开口166允许冷腔室76和环形腔室内的冷热交换器158之间的流动。开口164允许温腔室(在位移件位于图6所示的位置时基本上没有体积)和环形腔室之间的流动。热泵50还具有靠近壳体52的热端82设置的热热交换器165。经过盖82的开口162通向具有通向环形腔室的通道163的热交换器165。热热交换器165可以与燃烧器配置或其他能量源相关。
[0047] 继续参考图6，待加热的流体流到温热交换器154进入开口174并离开开口172，交叉流动。待冷却的流体流到冷热交换器158，进入开口176并离开开口178。经过热交换器的流动可以是颠倒的、平行流动。
[0048] 参考图7-10中的图示，描述示例性热动态循环。在图7中，热泵50示出了都在其行程的上端处的两个位移件。铁磁元件112被吸引到电磁体92。电磁体92通过足以克服在热位移件上施加向下力的不平衡弹簧力来保持热位移件62的保持电流激励。类似地，铁磁构件116通过足以克服不平衡弹簧力将冷位移件66保持在上部极端位置的保持电流吸引到电磁体96。壳体52内的工作流体主要包含在冷腔室76和具有换热器和热交换器的环形腔室中。
在热和温腔室中具有非常少的流体。
[0049] 在图8中，冷位移件66从行程的上端运动到行程的下端。在此构型中，几乎没有流体包含在任何冷腔室或热腔室中。相反，工作流体存在于温腔室74中，并且一些在环形腔室中。从图7所示的冷位移件66的位置到获得图8所示的位置，保持铁磁构件116的电磁体96被去激励。不平衡弹簧力造成冷位移件66向下运行。随着铁磁块106接近电磁体96，抓持电流施加到电磁体96，使其将铁磁块106吸引到电磁体96内。在铁磁块106接触电磁体96之后，较小的保持电流被指令到电磁体，以便克服平衡弹簧力保持块106。
[0050] 现在参考图9，两个位移件62和66被示出位于其下部极端位置。缸52内的大部分工作流体位于热腔室72内。在电磁体92去激励时，热位移件62从图8所示的行程的上端运动到图9所示的行程的下端，使得不平衡弹簧力作用在热位移件62上，以使其向下运动。在热位移件62的铁磁块102接近电磁体92时，抓持电流被指令到电磁体92。一旦铁磁块102接触电磁体92，电磁体被指令通过保持电流保持块102。
[0051] 在图9和10之间，两个位移件62和66从其更靠近冷端86的下部极端位置和其更靠近热端82的上部极端位置运动。两个电磁体92和96被去激励，以允许位移件在弹簧的控制下运动，接着在位移件接近行程的另一端时通过抓持电流激励，以便拉入位移件，接着通过保持电流激励以便将位移件保持就位。注意到由于图7和10的位移件位置是相同的，循环完成。
[0052] 在冷位移件66在图7和8所示的位置之间运动时，流体被推出冷腔室76并经由环形腔室进入温腔室74。在热位移件62在图8和9所示的位置之间运动时，流体被推出温腔室74并经由环形腔室进入热腔室72。最后，在两个位移件62和66在从图9所示的位置运动到图10所示的位置而向上运动到其行程端部时，流体被推出热腔室72经过环形腔室进入冷腔室76。
[0053] 图6-10中的实施方式在位移件(62和66)和缸套54之间不使用密封件。在一些实施方式中，位移件可以与缸充分好地密封，以消除会增加摩擦的密封件的需要。壳体内的压力都是大致类似的。当然，在位移件运动时，形成压力差，其足以克服环形空间内的压力降，即造成流体在热、冷和温腔室中流动经过环形空间内的元件。但是，如果压力降足够低并且取决于热泵的操作速度，那么可以省略密封件。
[0054] 在具有曲柄配置来驱动位移件的现有技术热泵中，位移件不允许在任何特殊位置驻留，而是连续运动。根据本发明的实施方式，位移件不仅可以在其极端位置驻留，而且长达可选择周期。对于一些操作状况，会希望位移件在其行程一端比行程的另一端更长地驻留，这是这里公开的实施方式所允许的。根据公开的实施方式，加热或冷却输出可通过增加或降低驻留周期来调节，显著改变往复频率。
[0055] 工作流体在热(h)、冷(c)和温(w)腔室内所经受的热动态过程分别在图11A-C中示出，其中轴是用于压力的P，和用于体积的V。点1h、2h和3h对应于与图11A相关的热动态状态；1w、2w和3w对应于图11B；并且1c、2c和3c对应于图11C。通过计算循环上的面积，即V-dp的积分，可以确定经受该循环中传递的热量。在图11A和11B的情况中，循环是顺时针的，并指示到系统的热传递。在图11C中，循环是逆时针的，并且指示离开系统的热传递。对于热、温和冷腔室，腔室中的温度分别在～600℃、～50℃和～-5℃保持大致恒定。(该温度通过例子提供并不旨在限制)。图11A-C中的过程示出为直线。实际上，真实过程偏离直线，一些过程通过曲线适当表示。因此，图11A-11C只是示例性的。在加热模式中，能量从温热交换器传递到待加热的空间(例如房间)或热水加热器。在冷却模式中，能量从待冷却空间传递到冷热交换器。
[0056] 虽然相对于特殊实施方式详细描述了最佳模式，本领域普通技术人员将认识到以下权利要求的范围内的多种替代设计和实施方式。虽然对于一个或多个希望特征，多种实施方式被描述成提供优点或优选于其他实施方式，一个或多个特征可以被妥协以实现希望系统属性，这取决于具体应用和实践。这些属性包括但不局限于：成本、强度、耐用性、寿命周期成本、市场性、外观、包装、尺寸、维护性、重量、制造性、便于组装等。这里描述的实施方式(其特征在于对于一个或多个特征来说，比其他实施方式或现有技术并非是希望的)不在本发明的范围之外，并可以对于特殊应用来说是希望的。
