传统的用于对建筑物之类供暖的热泵采用闭合蒸汽循环运转的工作流，并且一般经由热交换器从地面或水箱获得热量供应。这种设置中采用的热交换器一般与热泵本身相分离，并且通常是相当大的，特别是若为地源或需要静止的或流动的水源。此类设备工作流通常以闭合循环工作，并且从热交换器获得的热量经由另一热交换器被抽吸到热负载。一般用作此类热泵中的工作流的冷却剂/制冷剂通常是潜在的污染物。
现有技术在热泵中采用大气作为热源，但由于环境空气每单位体积的能量较低，一般需要采用低效能的空气动力压缩机(或鼓风机)来处理所需的高容积流量。这种设置中采用的热交换器元件由于空气中的湿气，通常也易受到积冰的影响。
因此本发明满足了改进热泵的需要，改进的热泵采用大气作为热源，可克服或至少缓解现有技术存在的一些问题。

本发明的第一方面提供了一种用作热泵的装置，其包括：压缩室构件、允许气体进入压缩室构件的进气构件、用于压缩所述压缩室构件内包含的气体的压缩构件、用于接收被压缩构件压缩的气体的热能的热交换器构件、用于容置与热交换器构件接触之后的气体的膨胀室构件、使容置于膨胀室构件内的气体膨胀的膨胀构件，以及用于在膨胀后从装置排出气体的排气构件。
所述气体可为来自周围大气的空气。这样，提供了一种热泵，其中大气既可用作热源也可用作工作流(例如，单相工作流)。有利的是，采用大气作为工作流意味着不必采用具有潜在污染的冷却剂。此外，由于热源和工作流可为一体，所以热泵的大小和复杂度可显著减小。例如，可将热泵设置成，使得装置总容积中相当大比例是热力驱动的。这样，热泵可被容置在配置成易于安装的单个紧凑部件内。.此外，由于所有的热交换可在部件自身内发生，本发明无需大而复杂的热交换器。
压缩可为基本等熵的或绝热的。热交换可为基本等压的。膨胀可为基本等熵的或绝热的。
进气构件可包括与压缩构件流连通的至少一个进气孔。例如，压缩构件可置于外壳中，并且进气构件可包括外壳中的孔阵列。孔阵列使用中可位于外壳的下部(例如，底部)。或者，孔的阵列使用中可位于外壳的上部(例如，顶面)。
进气构件可进一步包括至少一个进气阀，用于控制气体进入压缩室构件。当被启动时，该至少一个进气阀可被配置成密封所述或相应的进气孔。所述至少一个进气阀可为止回阀。所述至少一个进气阀可包括被动控制的进气阀。例如，所述至少一个进气阀可包括压力驱动进气阀(例如簧片阀或盘状阀)。进气阀可被设置为当密封其相应的孔时保持轻松关闭的。所述至少一个进气阀可被设置为保持关闭，同时所述或相应的排气阀开启(如下所示)。在另一实施例中，所述至少一个进气阀包括主动控制的进气阀(例如盘状阀或回转阀)。所述至少一个进气阀可设置为当阀两侧的压力相等时是开启的。
或者，所述至少一个阀可包括从所述至少一个进气孔延伸的通道，以及设置为沿着通道中第一位置和第二位置之间的部分自由移动的部件，所述第一位置阻塞所述至少一个进气孔，所述第二位置与进气孔相隔开。这样，可构成阀(以下称为“球阀”)，在其内部件的移动可通过部件内的压力差自动启动。部件可基本为球形(以下称为“球部件”)。部件可由塑料材料构成。
有利地，对于球部件，第一和第二位置之间的距离只需为球直径的一半。因而，在球直径为3毫米的情形中，球仅需移置1.5毫米以完全密封/开启进气阀。这样，压缩室构件仅需要少量空间供球的移动。此外，由于球部件轻且仅移动少量距离，所以甚至当每分钟开和关1500次时，球阀也可被平稳地操作。在一具体的实施例中，进气构件包括3000个此类的球阀，各球由塑料材料构成，具有较低的比重。这样，与传统的金属盘状阀相比，所设置的阀中可移动部分(例如球)具有低惯性。
压缩构件可包括压缩活塞构件，用于压缩在压缩室构件内包含的气体。压缩活塞构件可与驱动构件相连接，驱动构件用于驱动压缩室构件内的压缩活塞构件以压缩其中包含的气体。
压缩活塞构件的有效活塞直径与活塞行程长度之比至少为2∶1。有利地，此比率允许近似等熵压缩(并且因此循环效率高)，其原因在于，虽然与具有更多相等尺度的传统活塞相比，该活塞构件每单位体积压缩气体具有较高的表面积，但是与活塞表面相接触的气体有效地近似停滞，然而汽缸壁在不可避免地运动中要接触气体，并且通过这样设置将汽缸壁面积比例减小。当与活塞面积相比，减小汽缸壁面积，将使流经传导面的气体减至最少。
此比例的其它优点包括：
i)相对较大的气团可低速移动；
ii)当活塞移动不太远时，机械损耗较低；
iii)与压缩活塞构件相关联的密封中，当活塞移动不太远并且/或对于给定的行程每次循环中的各密封提供更多的空气时，密封的摩擦损耗较少；
iv)与压缩活塞构件相关联的外围密封中的渗漏影响与传统比例的活塞相比较小。
在活塞直径与活塞行程长度之比为2∶1的情形中，活塞面积与汽缸壁面积的比例是1∶1。相反，在标准的柴油机中，活塞直径与活塞行程长度之比大约为1∶1，并且活塞面积与汽缸壁面积的比例是1∶2。在一实施例中，有效活塞直径与活塞行程长度的比例至少是3∶1。
在另一尤其较佳的实施例中，有效活塞直径与活塞行程长度的比例至少是4∶1。4∶1或更大的比例与传统比率的活塞相比，在效率上有显著的改进。例如，有效活塞直径可为大约500毫米，并且有效行程长度在30到70毫米之间。
压缩活塞构件可包括单压缩活塞。为了平衡运转，单压缩活塞可设置成与配重构成反相运转(例如180度异相)。或者，压缩活塞构件可包括多个压缩活塞。这样，作用在活塞构件上的质量力和承载力更易平衡。在多个压缩活塞的情形中，有效活塞直径与活塞行程长度之比被定义为合成的有效活塞直径与平均活塞行程长度之比。
在多个压缩活塞的情形中，可将两个或多个活塞设置成异相移动。各活塞可，例如，等间距地滞后于邻近区域。例如，在n个活塞的情形中，各活塞与邻近活塞的相位可差(1/n)*360°。这样，驱动构件承受的是更恒定的负载力，因而减少了对飞轮的需要，并且允许使用单个高速(恒定功率)电动机。若需要更多的功率，也允许将额外的压缩器/膨胀器模块毫无困难地添加到装置中。
在一实施例中，多个活塞沿轴线横向隔开。在另一实施例中，多个活塞围绕中心轴沿圆周隔开。例如，压缩活塞构件可包括一对沿直径相对的活塞(例如对动式设置)。相对的活塞可被设置为压缩隔开的气体体积。在一实施例中，相对的压缩活塞反相运转。这样，可平衡活塞的动作。
在压缩活塞构件包括单压缩活塞的情形中，压缩室构件可包括单压缩室，用于容置单压缩活塞。在压缩活塞构件包括多个压缩活塞的情形中，压缩室构件可包括多个分立的压缩室，各与相应的压缩活塞相关联。各压缩室至少有一相应的进气阀。
所述或各压缩活塞可从第一位置移动至第二位置，当所述或各压缩活塞可从第一位置移动至第二位置时，对所述或各相应的压缩室内包含的气体进行压缩。进气构件可设置成，当所述或各相应的压缩活塞移动到第一位置时，允许气体进入所述或各压缩室。例如，至少一个进气阀可设置成，当所述或相应的压缩活塞从第二位置移动到第一位置时(例如上述压缩阶段后)是开启的。一旦气体进入所述或各压缩室，压缩室被密封(例如通过关闭所述至少一个进气阀)，并且所述或各相应的压缩活塞，被驱动构件从第一位置移动到第二位置从而压缩气体。
驱动构件可包括机械联接驱动装置。在另一形式中，驱动构件可包括非机械联接驱动装置(例如，电磁驱动)。
一旦气体由压缩构件压缩，气体(由于压缩，此时温度应当高于进气温度)即接触热交换器构件。在一实施例中，所述或至少一压缩活塞可包括一个或多个孔，各有一排气阀，允许气体通过所述或至少一个活塞，从所述或其相应的压缩室进入热交换器构件。所述或各孔可位于所述或所述至少一个压缩活塞的工作面上。通过提供穿过活塞工作面的孔，使可用于阀构件的压缩活塞构件的面积最大化。压缩机的传统设计中，阀构件完全位于汽缸盖内，仅有约一半的汽缸盖面积可用作进气，一半的汽缸盖面积用作排气。本发明的压缩活塞构件可提供的阀面积约为传统压缩器给定孔的阀面积的两倍。
所述或各排气阀可设置成，当所述或所述至少一个压缩活塞开始从第一位置移动到第二位置时，将所述一个或多个压缩活塞孔密封。在一形式中，所述或各排气阀可包括压力驱动阀(例如穿孔簧片阀、球阀、盘状阀、或回转阀)，当所述或所述至少一个活塞从第一位置向第二位置移动时，压力驱动阀是关闭的。所述或各压力驱动阀可被设置为，由于对于大部分压缩阶段，热交换器构件内的气压可高于与所述压缩活塞或所述至少一个压缩活塞关联的压缩室内的气压，从而是关闭的。一旦所述或相应的压缩室内的气压等于或大于热交换器构件内的气压，所述或各压力驱动阀可被设置为开启的，并且压缩气体可被运送至热交换构件。
热交换构件可包括用于容置负载流的热导体，热导体设置成促使热量从压缩气体传输到负载流。例如，热导体有较高的表面积与体积之比。这样，热交换器可从相对低温的气体中提取热量。热交换器构件可放置在可密封室内。
热交换器构件可设置为从压缩的气体去除水蒸气。这样，可在随后的膨胀阶段之前去除气体中的水分，从而使排气构件内形成的冰减至最少。
热交换器构件可有较大的截面积，允许通过高质低速的气流。有利地，这样的气流使气体接触热交换器构件的时间最大化，从而让水蒸气的冷凝增加。例如，热交换器构件可被优化或设置成接受每秒5米或更小速率的气流。如此低速是为了确保冷凝物通过膨胀构件时不会被吹掉，而是停留在热交换器构件的表面上。在一实施例中，热交换器构件设置成接受速度为每秒3米或更低速的气流。在另一实施例中，热交换器构件设置成接受速度在每秒1.5米到2米之间的气流。
热交换器构件可包括用于收集冷凝水的收集阱。随着热交换器构件内的气体冷却，气体内包含的任何水蒸气会冷凝。热交换器可设置成将冷凝物导向收集阱。收集阱内收集的水分可通过浮球阀或其它水感应阀喷出，一旦水平面达到阈值。
在一些情形中，也许不可能在膨胀前移除空气中所有的水分，因而膨胀器内可能会有积冰。在一实施例中，来自热泵的一些热输出被用于偶尔的除冰循环。在另一实施例中，通过在第一次述及的热交换器构件之后、在通过排气构件离开装置的空气冷却的膨胀构件之前再设置另一个热交换器，来去除热交换器构件内的气体中额外的湿气。总性能系数可能会被第二热交换器构件减小，但应当不会过分危及热泵的运转，因为应当不会一直需要额外的预膨胀冷却，并且该额外的预膨胀应当被调节以使任何额外的空气预膨胀冷却仅限于抽湿需要的程度。
在一形式中，热交换器构件可进一步包括环绕(至少部分地)热导体的热传送流，以及用于将压缩气体传送通过流的构件，通过此构件热能从压缩气体传送到热传送流。热能依次从热传送流传送到热导体，从而使传送到负载流的热量比例最大化。例如，用于将压缩气体传送通过流的构件可包括小孔(例如穿孔)筛。小孔筛设置成使流内产生气泡结构，气泡结构具有非常高的表面积与体积之比。小孔筛可位于压缩构件和热导体之间。热传送流可为液体，并且也可选取具有粘性以适合运送由气体流经小孔筛而产生的气泡。热传送流可包括油(例如，硅油)。可选取不能与水混合、密度比水低、并且其自燃温度高于经过其的加压气体的温度的热传送流。为了使输出气泡保持完整，可采用一个以上的小孔筛。在另一形式中，负载流可为热传送流，因而可避免使用热导体。
用于传送压缩气体通过流的构件可设置成，使得其生成集中在绕热交换器构件内局部区域的气流(例如，气流路径在热交换器构件的中心部分强于外围部分)，并且该构件可设置成将形成于热交换器构件内的冷凝物导向收集阱。例如，用于传送压缩气体通过流的构件可包括具有凸部或锥形体的小孔筛，凸部或锥形体包括使用时在收集阱上方的一顶点。在一实施例中，收集阱可包括外围收集阱。此外，可选取的热传送流密度低于冷凝物，从而促使冷凝物从局部气流转移到气泡路径不那么集中的区域，在这样的区域冷凝物可落下并且被收集到收集阱内。
若采用热传送液，在压缩构件空闲期间，液体可通过压缩阀向下渗漏。这样的液体可包含在外壳内，并且液体可在起动时通过压缩阶段抽回。
膨胀构件可包括膨胀活塞构件。膨胀活塞构件可包括单膨胀活塞(例如当压缩活塞构件包括单压缩活塞时)。为了平衡运转，单膨胀活塞可设置成与配重构成反相运转。或者，膨胀活塞构件可包括多个膨胀活塞(例如，当压缩活塞构件包括多个压缩活塞时)。在多个膨胀活塞的情形中，可设置两个或多个活塞为异相移动。为了平衡运转，相对的膨胀活塞对可反相运转。
在膨胀活塞构件包括单膨胀活塞的情形中，膨胀室构件可包括用于容置单膨胀活塞的单膨胀室。在膨胀活塞构件包括多个膨胀活塞的情形中，膨胀室构件可包括多个分立的压缩室，其各与相应的膨胀活塞相关联。
所述或至少一个膨胀活塞可与所述或相应的压缩活塞一起移动。
所述或至少一个膨胀活塞构件可具有与所述或相应的压缩活塞的活塞行程长度相对应的活塞行程长度。在一实施例中，所述或所述至少一个膨胀活塞其有效活塞直径与活塞行程长度之比等于所述或相应的压缩活塞其有效活塞直径与活塞行程长度之比。(例如至少2∶1，至少3∶1或至少4∶1)
所述或至少一个膨胀活塞可从第一位置移动到第二位置。当气体做功帮助所述或所述至少一个膨胀活塞从第一位置移动到第二位置时，所述或相应的膨胀室内包含的气体膨胀。这样，包含在被处理的气体内的一些初始压缩能量可被恢复，并且可被用于辅助压缩阶段的工作。
在第一位置中，所述或各膨胀活塞可设置成，允许气体进入所述或相应的膨胀室(在气体接触热交换器构件后)。例如，所述或至少一个膨胀活塞可包括一个或多个孔，各有一机械驱动进气阀(以下称为“膨胀进气阀”)，其允许气体通过所述或所述至少一个膨胀活塞，从热交换器构件到所述或相应的膨胀室。所述或各孔可位于所述或所述至少一个膨胀活塞的工作面上。通过设置穿过活塞工作面的孔，使可用于阀构件的膨胀活塞构件的面积最大化。
所述或各膨胀进气阀可设置为，当所述或所述至少一个压缩活塞移动到第一位置时，允许气体流过相应的膨胀活塞孔。
在一实施例中，所述或至少一个膨胀进气阀可放置于所述或所述至少一个膨胀活塞的底面，并且膨胀构件可包括在所述或所述至少一个膨胀活塞内与孔相对齐的凸部，其设置成当凸部与膨胀进气阀相接触，所述或所述至少一个膨胀活塞移动到第一位置时，使膨胀进气阀开启；并当所述或所述至少一个膨胀活塞移动到第二位置时，允许膨胀进气阀关闭。凸部相对于所述或所述至少一个膨胀室可调节地安装。这样，可控制膨胀进气阀开启的行程的比率。例如，凸部可受弹性偏压以相对于可调节结合部保持在预定位置。例如，凸部可与弹簧连接。可设有多个凸部从而提供多个分别给予所述或各膨胀进气阀的驱动负载。
在另一实施例中，所述或至少一个膨胀进气阀可包括回转阀。回转阀可包括与所述或所述至少一个膨胀活塞的面(例如背面)可转动连接的盘，该盘包括至少一个孔，该孔与所述或所述至少一个膨胀活塞的所述或各孔相对齐。盘可相对于第一位置和第二位置之间的所述或所述至少一个活塞旋转，第一位置处盘上的孔与膨胀活塞相对齐，第二位置处，孔完全不再与膨胀活塞相对齐。回转阀可设置成在隔开一小角度(例如5到10度)的第一和第二位置之间振荡。在第二位置，盘可被设置成推抵在所述或所述至少一个膨胀活塞的面(例如背面)上。
回转阀可包括分隔构件，其用于在阀运转期间，减小摩擦的和/或改变在盘和所述或所述至少一个活塞的面之间的间隔。这样，使盘和活塞面由于通过所述至少一个孔的气压而锁上的可能性最小化。分隔构件可包括一部件，其设置成当盘相对于活塞面旋转时随之旋转。例如，部件可包括滚动轴承或球轴承。在一实施例中，部件设置成啮合于楔形剖面，将楔形的方向设置成，当盘从第二位置移动到第一位置时，使得盘和活塞面相隔离。楔形剖面可包括楔形槽。楔形剖面可位于活塞面上，并且部件可位于盘上(反之亦然)。有利地，盘并不需要在第一和第二位置之间移动很远(因此阀相对静止)，并且当盘沿水平轴线较为坚硬时，阀相对容易控制(特别是以高速)。在另一实施例中，分隔构件包括弹簧构件(例如板簧构件)。
膨胀进气阀可利用以下方式中的一个或多个运转：压力、机械启动、电磁启动、液压启动或由任何其它合适的构件。在本发明的一实施例中，压缩活塞构件和膨胀活塞构件可连接在一起同步工作。例如，在单压缩活塞和单膨胀活塞的情形中，活塞可由连接构件(例如互相连接的支柱)连接在一起(例如刚性地)。在多个压缩活塞和多个膨胀活塞的情形中，一对压缩和膨胀活塞可连接在一起。这样，膨胀阶段可被用于辅助压缩阶段的功，并且减少(例如显著地减少)装置每个周期的功。这样的活塞设置主要的优点有：
i)膨胀期间回复的能量可直接被用于辅助压缩期间需要的能量；
ii)有助于使两个活塞面平稳；
iii)允许轻质活塞结构可处理加在其上的高负载；以及
iv)负载总体上可被减小，因为它们常常在循环中某些点处可由外力消除。
在另一设置中，成对的压缩活塞可被连接在一起(例如刚性地)。或者，或此外，成对的膨胀活塞可被连接在一起(例如刚性地)。上述优点ii)-iv)适用于这样的压缩机-压缩机对，优点i)-iv)适用于这样的膨胀器-膨胀器组合。
当压缩室和膨胀室为大直径且短行程时(例如分别依次为0.6m和0.03m)，活塞间的区域可用于放置热交换器构件。这样，可获得高紧凑型的热泵，其易于安装在住宅楼宇的墙内或墙边。但是，在另一实施例中，热交换器构件可位于活塞之间的区域之外。并不直接位于活塞间的空间内的独立热交换器其主要的优点是：
i)允许更轻且较简单的活塞设置；
ii)允许较简单的热交换器，因为对热交换器来说，不必提供互相连接的杆；
iii)允许组件设置布局上有更多的灵活性；
iv)允许多个压缩活塞和膨胀活塞共享一个热交换器；
v)允许使用工作流作为直接的加热形式，例如提供设计成利用所加热的压缩空气的散热器，来有效地提供遍布建筑物的大型热交换器。
排气构件可包括一个或多个与膨胀室构件流连通的出气孔，并且可包括用于控制气体从一个或多个出气孔排出的排气阀(例如上述定义的那类回转阀)。排气阀可为机械启动，并且在压缩/膨胀阶段的大多数时候可为关闭的。例如，可依靠压缩构件的运动(例如，经和驱动构件一起旋转的凸轮控制压缩构件)来启动排气阀。膨胀进气阀启动构件可设置为，在打开膨胀进气阀之前，允许膨胀室构件和热交换器构件内的气压基本相等。对于大多数膨胀/压缩行程，排气阀可被关闭。当膨胀室内的气压等于基气压(例如大气压)时，排气阀可设置为，在剩余的膨胀行程中，允许膨胀室内的气压基本保持为基气压或大气压。例如，排气阀可设置为开启，当膨胀室内的气压等于基气压或大气压时。这样，由于工作气体的过度膨胀(当排气阀打开时，可导致低效气压突然上升)，可避免气压减小到低于大气压。
排气构件可被设置于热交换器构件的一端，进气可被设置于相对的另一端。这样，可使得空气在进气和排气构件之间流动时，空气和热交换器构件之间的接触最大化。
在一实施例中，进气构件可位于用于驱动压缩活塞的驱动构件附近(例如在其上)。这样，热泵可使用略高于环境温度的空气运转。
用作空调器
根据本发明第一方面的装置也可用作空调器。例如，进气和排气可包括分岔管，各管有一分支用于引出/释放建筑物内外的空气。阀(例如瓣阀)可被用于改变从建筑物和建筑物外部吸收的空气的比例，以及将空气排出到建筑物和建筑物外部的比例。为了冷却建筑物，空气会进入建筑物内的泵，初始通过压缩加热，能量释放到负载流(如前所述)，然后膨胀(因此冷却)并且返回至建筑物。可采用外部热交换器冷却负载流，或在另一实施例中，可直接流出。例如，如果负载流是水，当地的游泳池、湖或河可被用作水源和热倾卸处。
用作热机
根据本发明第一方面的装置一般其总量中会有非常高的比例可用作热动力有效量。因此，并且由于装置可在适度的温差下处理大功率，根据本发明的装置可被设置为作为有效低温差热机运转。在此运转模式中，大气空气会进入压缩阶段，被压缩、传送给热交换器构件，由原先的负载流而现在的供热来加热，然后通过膨胀构件膨胀。膨胀构件可设置成，其膨胀室比相应的热泵形式的膨胀室更大，因为通过该装置的比容现在增长了。但是装置基本是相同的。
热机其理想的循环热效率就是热泵在相同温度范围工作性能系数的倒数。这样，提供了从低级热提取进一步能量的有效方法。这样一个设置可以，例如被用于取代发电站的冷却系统以及在工序中提取进一步的能量。
根据本发明第二方面，提供的装置用作热泵，其包括热交换器，热交换器具有用于容置加压气体的室，所述室包括热传送流和用于使压缩气体通过热传送流的构件，因而热能从压缩气体传送到热传送流。
用于使压缩气体通过热传送流的构件可包括小孔(例如穿孔的)筛。热传送流可为液体，并且可选取具有粘性以适合运送由加压气体通过小孔筛而生成的气泡。热传送流可包括油(例如，硅油)。可选取不能与水混合、密度比水低、并且其自燃温度高于经过其的加压气体的温度的热传送流。为了使输出的气泡保持完整，可采用一个以上的小孔筛。
在一形式中，热交换器构件可包括用于容置负载流的热导体，热导体设置成促使热从热传送流传送到负载流。例如，热导体表面积与体积之比可以很高。
在另一形式中，负载流可为热传送流，因而无需使用热导体。
当气体在热交换器构件内冷却时，冷凝物(例如水)可形成于热交换器构件内。用于使压缩气体通过热传送流的构件设置成，生成集中于热交换器构件内局部区域的气流(例如在热交换器构件的中心部分强于外围部分的气流)，并且构件可设置成将形成于热交换器构件内的冷凝物引导到外围收集阱。例如，用于使压缩气体通过热传送流的构件，可包括具有凸部或锥形体的小孔筛，该凸部或锥形体包括使用时在外围收集阱上方的一顶点。此外，可选取的热传送流密度低于冷凝物，进而促使冷凝物从局部气流转移到气流不那么集中的区域，在这样的区域冷凝物可落下并且被收集在外围收集阱内。
一旦水平面达到阈值，外围收集阱内收集的水分可通过浮球阀或其它水感应阀喷出。
根据本发明的第三方面，提供的用作热泵的装置包括：允许大气进入压缩室的进气构件、用于压缩在压缩室内包含的大气的压缩构件、用于从被压缩构件压缩的大气中接收热能的热交换器构件、以及一旦热能已被传送到热交换器构件就从装置排出大气空气的排气构件。
根据本发明的第四方面，提供的阀包括具有第一孔的第一部分和具有第二孔的第二部分，第一部分相对于第二部分在第一位置和第二位置之间是可旋转的，在第一位置处第一孔和第二孔不相对齐以防止流通过，在第二位置处第一孔和第二孔相对齐以允许流通过，其所述阀进一步包括在阀运转期间改变第一部分和第二部分之间的间隔的分隔构件。
分隔构件可被设置成，当第一部分移动到第二位置时，允许第一和第二部分互相顶住。这样，使得由于通过第一和第二孔的流的气压而使两部分锁住的可能性变得最小。第一部分可基本为盘状。
分隔构件可包括设置为当第一部分相对于第二部分旋转时，随之旋转的部件。例如，部件可包括滚动轴承或球轴承。在一实施例中，部件设置为啮合于楔形剖面，楔形的方向设置成，当第一部分从第二位置移动到第一位置时，使得第一部分和第二部分相隔开。楔形剖面可包括楔形槽。楔形剖面可位于第二部分上，并且部件可位于第一部分上(反之亦然)。有利地，第一部分并不需要在第一和第二位置之间移动很远(因此阀相对静止)，并且当第一部分在水平轴静止时，阀相对容易控制(特别是以高速)。
在另一实施例中，分隔构件包括弹簧构件(例如板簧构件)。

参考附图，以举例方式对本发明实施例进行说明。
图1为本发明的第一种热泵实施例的横剖面示意图；
图2为显示图1热泵在热泵循环的不同阶段的一系列示意图；
图3为显示图1热泵中采用的排气构件详情的示意图；
图4为显示模拟图1热泵典型循环的P-V曲线图；
图5为本发明的第二种热泵实施例的横剖面示意图；
图6A为显示图5热泵中采用的活塞和回转阀详情的示意图；
图6B为显示图6A中所示的活塞底侧的视图；以及
图6C为显示图6A中所示的活塞和回转阀的横剖面示意图；

图1显示了包括主体20的热泵10。该主体20包括：进气构件30、压缩室40、压缩构件60、热交换器构件80、膨胀室124、膨胀构件120以及排气构件100。
进气构件30包括多个进气孔32和进气阀34。进气阀34包括多个进气阀孔36，其相对于进气孔32偏移，通过移动进气阀34挡住进气孔32，使进气孔32密封。进气阀34可为压力驱动阀(例如穿孔簧片阀)。
压缩构件60包括与驱动机构64相连接的压缩活塞62。压缩活塞62滑动安装在压缩室40内，并且被设置成压缩其中包含的气体。压缩活塞62具有工作面63，其包括孔66和设置于其顶面上的排气阀68，排气阀用于控制气体流过活塞孔66。排气阀68包括多个排气阀孔70，其相对于活塞孔66偏移，通过移动排气阀68挡住排气孔66，使孔66密封。排气阀68可为压力驱动阀(例如穿孔簧片阀)。
使用中，允许经由进气构件30进入热泵的空气通行进入压缩室40。一旦空气进入压缩室40，进气孔32被进气阀34密封，并且压缩活塞62被机械装置64驱动(利用活塞孔66被热交换器构件80内的气压密封)。一旦压缩室内包含的空气被压缩构件60压缩到接近热交换器构件80内的水平，打开排气阀68，气体就被传送到热交换器构件80。
热交换器构件80包括热交换室81，其容置由热传送液84(例如油)包围的热导体82。热导体82包括管网86，其界定引导负载流流向的路径。热交换器构件80也包括位于压缩构件60和热导体82之间的圆锥小孔筛88，小孔筛88的设置是为了在压缩气体离开压缩构件60并进入热传送液84时，促使气泡的形成。选取具有合适粘性的热传送构件，以传播由有孔筛88生成的气泡。主体20的基部外围配有收集阱90，以收集当空气冷却时热交换器构件内形成的冷凝物。外围收集阱内收集的水可通过浮球阀或其它水位感应阀(未显示)来去除。
膨胀构件120包括膨胀活塞122，通过互相连接的支柱101刚性连接于压缩活塞62，并且滑动地安装在膨胀室124内。膨胀活塞122具有包含多个孔126的活塞面123，以及放置于下侧用于控制气体流经膨胀活塞孔126的膨胀进气阀128。膨胀进气阀128包括多个孔130，相对于孔126偏移，当膨胀进气阀128顶住膨胀活塞122时，孔126被密封。膨胀进气阀128被设置为当膨胀进气阀128从膨胀活塞孔126移开时，依靠凸部130、131或(在另一形式中)依靠来自膨胀构件的压力，允许空气流经膨胀活塞孔126。
如图1和图3所示，凸部130、131在膨胀活塞122内分别可与孔132、133对齐。凸部130、131被设置成，当膨胀活塞122向出气孔102移动时，使膨胀进气阀128远离膨胀活塞122的中部；而当活塞开始向热交换器构件80移动时，允许膨胀进气阀128重新密封膨胀活塞孔126。膨胀进气阀128受轻弹簧偏压而保持在其闭合位置。
凸部130、131受弹簧134的弹性偏压以增加用于打开膨胀进气阀的行程长度，。可通过滑移柱塞调节管136改变弹簧位置，调整使膨胀进气阀128开启的行程比例。
排气构件100包括多个出气孔102和机械驱动的排气阀104。排气阀104包括多个排气阀孔106，其相对于出气孔102偏移，当移动出气阀104堵塞出气孔102时，出气孔102被密封。排气阀104由凸轮(未显示)被机械驱动，凸轮与驱动机构64同步旋转。
图2中显示了热泵10中机械驱动装置64在热泵循环期间的八个连续的“曲柄”位置(各递增45度)。为了清楚起见，省略了热交换器单元和气泡筛。各种位置如下所述(段落编号表示图编号)：
1：(驱动机构64)曲柄在下死点。
所有阀被关闭，活塞组件即将开始向上移动。
2：活塞组件上升，排气阀104(在组件顶部)是开启的，并且进气阀34(在组件底部)是开启的。当膨胀室124和压缩室40都排气到大气中时，整个组件间的压力差接近于0。膨胀室124向大气排空，压缩室40吸收新鲜流入的大气。
3：行程中点，活塞组件上升，膨胀室124排出一半气体，压缩室40半充满新鲜流入的大气。阀位置与阶段2一样。
4：曲柄接近上死点。排气阀104是关闭的。膨胀进气阀128(膨胀活塞的下表面)即将开启。进气阀34是关闭的。
5：上死点。膨胀进气阀128是开启的，并且允许被压缩处理过的空气通过，该空气从活塞间的空间通过到达膨胀室124时，被活塞间的空间内的热交换器构件80冷却。压缩室阀是关闭的。排气阀104是关闭的。
6：曲柄不再处于在上死点。活塞组件下降。膨胀进气阀128关闭。压缩室阀被关闭，压缩空间内的空气被压缩，经由活塞间的支柱通过受压膨胀室辅助压缩，因此恢复了一些之前的压缩能量。排气阀104是关闭的。
7：行程中点，活塞组件下降。膨胀室阀现在是关闭的，膨胀空间内的空气膨胀并对活塞作功，该功经由活塞间的支柱传送到压缩活塞。所有的压缩室阀被关闭，并且压缩室内的空气被压缩。
8：接近下死点。膨胀室124内的空气现在低于大气温度和大气比容，仅由弹簧或类似物(未显示)稍微顶住其位置的排气阀104现在是开启的，并且允许一些处于大气压下的空气重新进入膨胀室124，使得在剩余的下行程中，膨胀室124的压力基本保持为大气压。当活塞间的空间和压缩活塞之间的压力差相等时，排气阀68立刻打开。压缩的热空气从压缩室40传送到活塞间的空间，准备将能量经由热交换器构件80传送到负载。
9：曲柄再次位于下死点。所有的阀被关闭，活塞组件即将开始向上移动。
在上述运转中，应当注意到：
a)每次压缩侧上的阀34和68中仅有一个是开启的，并且当一个阀开启时各侧的压力近似相等；
b)每次膨胀侧上的阀128和104中仅有一个是开启的，并且当一个阀开启时各侧的压力近似相等。
膨胀室最初通过恰好在上死点(TDC)之前关闭排气阀而受压，这预压缩了热交换器室的水平面，上行程期间被压缩的阀驱动器弹出，推动膨胀室远离其位置，使膨胀室进气阀各侧的压力相等。随着活塞远离汽缸头，当阀驱动器停止移动时，阀与阀驱动器不再接触，这就关闭了阀。设置驱动器的移动从而控制膨胀比率，并且由于压缩仅经由自动阀到达热交换空间，也控制空间内的压力。由于每次循环的热交换空间的体积为体积流动的约15至20倍，压力波动很小，控制热交换空间内基本恒定的压力非常简单。
膨胀室阀运转
膨胀室阀以气塞的形式运转，在两气压间循环空气。膨胀室的用途是让来自热交换器的加压(冷)空气，在排放该气体之前回到大气压，使得气动损耗最小。这意味着
i)吸收注入加压热交换器的空气
ii)将其降压为大气压
iii)将大部分注入的空气排出到大气中
iv)但是仅在汽缸内留下足够的空气，从而重新将其加压为热交换器的气压
v)然后吸收另一注入的加压热交换器的空气，并且重复上述循环。
各行程期间，压缩活塞将定量气体添加到热交换器。唯一的变量是添加气体处的气压，以及为使该气体达到该气压所需的做功量。
膨胀进气阀闭合的正时决定留在室内的压缩气体被膨胀的量。实质上热交换空间内的气压将持续升高，直到各行程气体膨胀和排出的量等于进入的量。
如果要求气压减小，可使膨胀进气阀迟些关闭，体积就得以增加。
如果要求气压增大，可使膨胀进气阀早些关闭，体积就得以减少。
然而，一定不能让膨胀进气阀太迟才关闭，以致于气体量太大，从而使膨胀室内的气压即使在下死点(BDC)也决不会降低到环境气压。
这个单一的控制决定整个系统的气压与热交换器内达到的温度。实际温度是进气气体温度的另外一个函数，但通过提高系统的气压，可增加热交换器内的温度。
有关膨胀室阀的操作步骤(当膨胀活塞从位置BDC通过位置2移动到位置3TDC，然后从位置3通过位置4返回到位置1BDC)简述如下：
排气阀开启并且膨胀气体从膨胀室排出
热泵膨胀1
活塞位置      1(下死点)
活塞方向      静止
膨胀进气阀    关闭
排气阀        开启
膨胀室        环境气压
热泵膨胀2
活塞位置      从1移动到2
活塞方向      向上移动
膨胀进气阀    关闭
排气阀        开启
膨胀室        环境气压
热泵膨胀3
活塞位置      到达2
活塞方向      向上移动
膨胀进气阀    关闭
排气阀        开启
膨胀室        环境气压
排气阀关闭让剩余气体被重新压缩到热交换器气压
热泵膨胀4
活塞位置      2
活塞方向      向上移动
膨胀进气阀    关闭
排气阀        关闭
膨胀室        环境气压
热泵膨胀5
活塞位置      从2移动到3
活塞方向      向上移动
膨胀进气阀    关闭
排气阀        关闭
膨胀室        从环境气压上升到热交换器气压
为了让膨胀进气阀开启并将热交换空间与膨胀空间相连通
热泵膨胀6
活塞位置      从2移动到3
活塞方向      向上移动
膨胀进气阀    开启
排气阀        关闭
膨胀室        热交换器气压
热泵膨胀7
活塞位置      3(上死点)
活塞方向      静止
膨胀进气阀    开启
排气阀        关闭
膨胀室        热交换器气压
然后让新注入的压缩气体从热交换空间传送到膨胀空间
热泵膨胀8
活塞位置      从3移动到4
活塞方向      向下移动
膨胀进气阀    开启
排气阀        关闭
膨胀室        热交换器气压
热泵膨胀9
活塞位置      到达4
活塞方向      向下移动
膨胀进气阀    开启
排气阀        关闭
膨胀室        热交换器气压
通过膨胀进气阀的被动闭合精确注入气体
热泵膨胀10
活塞位置      4
活塞方向      向下移动
膨胀进气阀    关闭
排气阀        关闭
膨胀室        从热交换器气压下降到环境气压
注入的气体膨胀回到环境气压
热泵膨胀11
活塞位置      从4移动到1
活塞方向      向下移动
膨胀进气阀    关闭
排气阀        关闭
膨胀室        从热交换器气压降低到环境气压
热泵膨胀12
活塞位置      从4移动到1
活塞方向      向下移动
膨胀进气阀    关闭
排气阀        关闭
膨胀室        从热交换器气压降低到环境气压
图4显示热泵10的理想P-V(气压与体积关系)曲线图。图右侧的曲线150表示从环境温度和气压的等熵压缩；直线部分160表示流体通过热交换器构件80时的等压冷却；图左侧的曲线170表示等熵膨胀回到环境气压。当然由于实际循环存在的不可逆转的工序，实际的P-V曲线图可能会显示出与理想循环有一些不同。
采用图3中P-V图所示的理想循环，可预测出下列性能数字：
  吸入空气的能量   2195    J   排出空气的能量   1736    J   大气对排出气体所作的功   184     J   抽吸到负载的能量   825     J   能量输入   182     J   性能系数   4.54    J

在上述例子中，假定热泵10具有直径为0.6m的压缩和膨胀汽缸，每分钟循环运转800次，并且对于为2.423kw的输入机械功率，输出给负载的功率为11kw。假定热交换器效率为90％，假设负载从初始的10摄氏度被加热到90摄氏度，并且排出的气体(本例中的空气)喷出的温度为-49摄氏度。
上例表示负载流体温度变化为80摄氏度。当负载流被加热使初始温度高于最初值(在循环热系统流中会发生)，工作气流被负载流冷却到较低的温度，这导致了膨胀阶段可得更多的功，这样尽管性能系数基本上保持不变，使每次循环的输入功得以降低。在极端情况下，负载初始为与离开压缩机阶段的气流相同的温度，无热功作用在负载上，并且通过压缩添加到气体上的所有能量可用于膨胀。对于理想循环，这样通过膨胀回复的能量恰好等于压缩的能量，并且因此无需机械功来驱动装置。这显然仅适用于理想的无摩擦、无损耗系统，但用于说明理想的性能系数仅是输入环境工作气体和负载流峰值温度之间温差的函数。这个温差通过压缩和膨胀比率控制，由于压缩阀可为自动的(例如由压差驱动)，装置的气压比及输出温度可完全通过膨胀阶段的进气阀正时来控制。
可进一步注意到，压缩机实际循环内的、并由于迫使气流通过小孔筛而产生的损耗可表示为由负载流提取的热。能量损耗唯一不能被负载流获得的点位于膨胀阶段的进气和一旦气体已排出热交换器构件之间。如果驱动机构/动力源生成废热，也可利用该废热使进气流也成为驱动系统的冷却流。系统内低于膨胀进气水平的损耗将使性能系数(COP)减小，但仍将使负载流有效加热。
图5显示了包括主体20’的热泵10’，主体20’包括进气构件30’、压缩室40’、压缩构件60’、热交换器构件(未显示)、膨胀室124’、膨胀构件120’以及排气构件100’。
进气构件30’包括多个进气孔32’，其各具有相应的进气球阀34’。各进气球阀34’包括球35，该球被限制在与相应的进气孔32’连接的通道内移动。当压缩室40’内的气压大于大气压时，使各球35顶住其相应的进气孔32’将孔密封。当压缩室40’内的气压下降为大气压时，球35可自由移动离开其相应的进气孔32’使空气进入。
压缩构件60’包括与驱动机构64’相连接的单压缩活塞62’。压缩活塞62’滑动安装于压缩室40’内，并且设置为压缩包含在其中的气体。压缩活塞62’具有包括多个孔66’的活塞面63’，各孔具有相应的排气球阀68’，其设置于活塞的顶表面，用于控制气体流经活塞孔66’。各排气球阀68’包括球69，该球被限制在与相应的孔66’连接的通道内移动。当压缩室40’内的气压低于热交换器构件内的气压时，使各球69顶住其相应的孔66’以将孔密封。当活塞面63’两侧的气压相等时，球34可自由移动离开其相应的孔66’使压缩气体通过活塞面63’。
使用中，经由进气构件30’进入热泵10’的空气被允许进入压缩室40’。一旦空气进入压缩室40’，当压缩活塞62’由驱动机构64’启动(此时活塞孔66’被热交换器构件80’内的气压密封)，进气孔32’被进气球阀34’密封。一旦压缩室内包含的空气已被压缩构件60’压缩，当送气球阀68’自动打开时，气体经由出气口83被传送到热交换器构件(未显示)。在将热交换器构件(未显示)内的压缩气体传送到膨胀室124’(经由进气阀85)以供膨胀构件120’进一步处理前，去除该气体内的热能和水蒸气。提供活动密封200、201、202以确保气体通过热泵的每一阶段。
膨胀构件120’包括膨胀活塞122’，其通过轻质互连支柱101’与压缩活塞62’连接，并且滑动安装于膨胀室124’内。轻质加强结构(或“结构活塞核”)103与支柱101’相连接以增加刚性。膨胀活塞122’具有包括多个孔126’的活塞表面123’和放置在其下侧用于控制气体流经膨胀活塞孔126’的旋转膨胀进气阀128’。
旋转膨胀进气阀128’包含圆盘129，其包括与活塞面123’上的孔126’相对齐的多个孔130’，以及多个弧形槽(未加插图)，各弧形槽用于容置和允许相应的互连支柱101’振动。圆盘129旋转安装于活塞面123’，并且可从第一位置旋转到第二位置，在第一位置孔126’和130’相对齐，在第二位置所有的孔126’和130’都不对齐。在第二位置中，圆盘129被推顶在活塞面123’将孔122’密封。如图6A-6C所示，圆盘129包括多个滚动轴承135，各滚动轴承安装在圆盘129内相应的槽137中。活塞表面123’包括多个楔形(或凸轮状)槽138，各用于容置相应的滚动轴承135。楔形槽138和槽137被设置为当圆盘在第二位置内时，完全容置滚动轴承135。当圆盘129从第二位置旋转到第一位置时，锥形槽138的剖面深度减小使圆盘129和活塞表面123’分离。圆盘129通过置于驱动机构64’的驱动轴65内的第一可旋转驱动器140进行旋转。圆盘129可偏压于第二位置(例如，通过与第一可旋转驱动器相连接的弹簧)。
排气构件100’包括多个出气孔102’和旋转排气阀104’。旋转排气阀104’包括圆盘105，其包括与出气孔102’对齐的多个孔(未显示)。圆盘105可旋转地安装于主体20’的底面22’，并且可从第一位置旋转到第二位置，在第一位置圆盘105内的孔和出气孔102’相对齐，在第二位置圆盘105内的孔和出气孔102’不在相对齐。在第二位置中，圆盘105被推顶在主体20’的底面22’以密封孔102’。旋转膨胀进气阀104’的形式和运作与上述的旋转膨胀进气阀128’相对应。圆盘105通过第二可旋转驱动器(未显示)旋转。圆盘105可偏压于第二位置(例如，通过与第二可旋转驱动器相连接的弹簧)。
可对热泵10和10’做适当的修改。例如驱动轴可穿过其基座进入主体。压缩阶段可在主体的顶端进行，膨胀阶段在底部进行。气流也可倒转，使得环境空气从主体的侧面进出，压缩空气从主体的顶部和底部排出。此外，压缩和膨胀活塞可以分开及独立地运作。例如热泵可配有置于单压缩室内的单压缩活塞(活塞表面的一侧排气到大气中)和置于单膨胀室内内的单膨胀活塞(活塞表面的一侧排气到大气中)。或者，可设置双压缩室以允许活塞表面的两侧都用来压缩气体；并且/或者可设置双膨胀室以允许膨胀活塞表面的两侧都用来膨胀气体。
附录
本发明的优点
许多热泵系统存在的问题是单元冷端上的积冰。根据本发明制造的热泵可以抑制结冰问题，因为进入热泵的携带湿气的空气将高于环境冷冻条件，或在冻雾的最差情况时也只是略微低于环境冷冻条件。热泵内的压缩会使温度升高到冷冻水平之上，通过负载将受压流冷却将使单元内的水在其作为液体被喷出处冷凝为液体。进入膨胀器的气流与输入流相比非常干，因此冰的形成就有限。本发明的另一优点是从流提取的湿气蒸发的热量可用于负载。
总之，本发明提供的热泵具有较高的潜在性能系数，其大多数会发生的机械和热损失将转化成可用于负载的热能。安装在家庭环境内的成本有可能非常低，大概等于简易锅炉的安装成本。通过本发明的固有属性，与热泵相关的常见问题诸如大的远程热收集安装和积冰可得到缓解，甚至可避免。
压缩阶段的阀设置
对于高COP，基本具有下列气流特性：
i)低气动损失，例如低气流速率
ii)高空气流量
iii)当阀打开时，气流的面积大
当采用比活塞直径短的活塞行程设置时，可采用大活塞面，但只是汽缸壁的面积较小。这意味着提供直接通过活塞面的阀是较佳的。
压缩阀可为自驱动的，并且因而操作是简单的。阀的可能选择包括：
i)盘状阀
ii)多球阀
iii)簧片阀
对于高运行速度，可能需要启动这些阀，在此情形下，它们需要设计成沿与膨胀阀相同的一行排列。
膨胀阶段的阀设置
对于高COP，必需具有下列气流特性：
iv)低气动损耗，例如低气流速率
v)高空气流量
vi)当阀打开时，气流的面积大
当采用相比活塞直径而言较短的活塞行程设置时，提供直接通过活塞面的阀也是较佳的。
膨胀阀需要物理启动(机械、压力或电气/电子)。它们可以是：
i)盘状阀
ii)(间歇)回转阀