Устройство и способ для использования с циклом кондиционирования воздуха (варианты)

Изобретение относится к устройству и способу для использования с циклом кондиционирования воздуха. Турбина для генерирования мощности включает ротор, камеру и, по меньшей мере, одно сопло для подачи текучей среды для приведения ротора в действие. Поток текучей среды из выхода сопла периодически прерывается, по меньшей мере, одним средством прерывания потока для повышения давления текучей среды внутри сопла. В термодинамическом цикле могут использоваться две такие турбины: первая турбина, расположенная после компрессора и перед теплообменником, и вторая турбина, расположенная после испарителя и перед компрессором. Изобретение позволяет повысить общую эффективность путем рекуперации части энергии. 7 н. и 24 з.п. ф-лы, 14 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к устройству, способу и программному обеспечению для использования с циклом кондиционирования воздуха и, в частности, но не исключительно, к усовершенствованным способам охлаждения или кондиционирования воздуха и устройству и турбинам и/или генераторам для использования согласно способу.

Описание предшествующего уровня техники

Существующие циклы охлаждения выбрасывают тепло в атмосферу. В некоторых случаях часть энергии, которая в другом случае могла бы выбрасываться, может быть рекуперирована из цикла, что таким образом повышает общую эффективность.

На фиг.1 показан схематический вид контура теплового насоса предшествующего уровня техники. Горячий жидкий хладагент под высоким давлением поступает в дросселирующее устройство, часто называемое дроссельным клапаном, который снижает его давление и температуру при постоянной энтальпии. Поглощающий тепло пар проходит через теплообменник или "испаритель", поглощая тепло из воздуха, имеющего температуру окружающей среды, продуваемого вентилятором через поверхности теплообменника, охлаждая воздух и таким образом обеспечивая охлаждающий эффект и вызывая его расширение. Захват тепла вызывает мгновенное испарение жидкости и расширение.

Несущее тепло парообразное рабочее тело затем проходит в аккумулятор, который имеет внутреннюю конструкцию, предназначенную для обеспечения испарения любой оставшейся жидкости перед подачей в компрессор.

Богатое энергией теплое парообразное рабочее тело поступает в компрессор, который в результате совершения работы сжимает пар, таким образом повышая его температуру и давление. Существенная часть работы, потребляемой компрессором, превращается в тепло сжатия, таким образом вызывающее перегрев парообразного рабочего тела.

Перегретое парообразное рабочее тело, таким образом, имеет температуру, превышающую температуру окружающей среды, и поступает в конденсатор, который имеет конструкцию, подобную конструкции испарителя. Затем происходит теплообмен между перегретым парообразным рабочим телом и окружающей средой, которая имеет меньшую температуру. Теплообмен продолжается, пока из рабочего тела не будет извлечено достаточное количество тепла для изменения его состояния и превращения из горячего пара в горячую жидкость.

Горячее жидкое рабочее тело проходит в резервуар, обычно называемый "сборником", который имеет достаточно большой объем для поддержания условий термодинамического цикла и чтобы выдерживать высокое давление в выходной линии компрессора. Горячее жидкое рабочее тело под высоким давлением затем проходит в дроссельный клапан для завершения термодинамического цикла.

Системы кондиционирования воздуха потребляют огромные количества электроэнергии во многих основных городах мира и рассматриваются как неотъемлемый компонент многих больших зданий для поддержания необходимого уровня контроля среды внутри здания. Одновременно, поскольку количество систем кондиционирования воздуха продолжает расти, возрастает понимание того, что ресурс электроэнергии ограничен, и в некоторых местах потребность в ней превышает поставки или это прогнозируется в ближайшем будущем.

Стало важным выявление потенциальных областей для экономии потребления электроэнергии. Если можно достичь какой-либо экономии в системах кондиционирования воздуха, то существует потенциальная возможность огромной суммарной экономии при потреблении электроэнергии.

Экономия электроэнергии может также приводить к экономии в области наращивания ресурсов инфраструктуры распределения энергии. Такие наращивания ресурсов становятся необходимыми для работы с возрастающими пиковыми нагрузками, вносимыми быстрорастущим рынком систем кондиционирования воздуха.

Цели изобретения

Задачей предпочтительного варианта осуществления изобретения является обеспечение устройства для теплового насоса и/или теплового насоса, который повысит эффективность использования доступной энергии таким существующим устройством.

Альтернативной задачей предпочтительного варианта осуществления изобретения является обеспечение способа управления тепловым насосом, который повысит эффективность такого существующего устройства.

Альтернативной задачей предпочтительного варианта осуществления изобретения является обеспечение способа управления турбиной и генератором, который повысит эффективность такого существующего устройства.

Другой альтернативной задачей предпочтительного варианта осуществления изобретения является обеспечение турбины и/или способа подачи текучей среды в турбину, которая обеспечивает повышение эффективности использования доступной энергии такой текучей среды в настоящее время.

Другой альтернативной задачей является, по меньшей мере, предоставление общественности полезного выбора.

Другие задачи настоящего изобретения могут стать понятными при ознакомлении с нижеследующим описанием, которое дано только для примера.

Краткое описание изобретения

Согласно первому варианту изобретения обеспечен термодинамический цикл, включающий компрессор, первую турбину, расположенную после компрессора, теплообменник, расположенный после первой турбины и работающий для извлечения тепла из цикла в другой термодинамический цикл, испаритель, расположенный после теплообменника, и вторую турбину, расположенную после испарителя и перед компрессором.

Согласно второму варианту настоящего изобретения обеспечен термодинамический цикл, включающий компрессор, конденсатор, расположенный после компрессора, первую турбину, расположенную после конденсатора, испаритель, расположенный после первой турбины, и вторую турбину, расположенную после испарителя и перед компрессором.

Предпочтительно термодинамический цикл также включает теплообменник, расположенный между первой турбиной и испарителем, причем теплообменник работает для извлечения тепла в другой термодинамический цикл.

Предпочтительно, по меньшей мере, или первая турбина, или вторая турбина включает:

камеру ротора;

ротор, вращающийся вокруг центральной оси внутри камеры ротора;

по меньшей мере, одно сопло, включающее выход сопла для подачи текучей среды из средства для подачи текучей среды в термодинамическом цикле в ротор для приведения в действие ротора и генерирования мощности;

по меньшей мере, одно выпускное отверстие для выпуска при использовании текучей среды из турбины;

в которой поток текучей среды из, по меньшей мере, выхода одного сопла периодически прерывается, по меньшей мере, одним средством прерывания потока, таким образом повышающим давление текучей среды внутри, по меньшей мере, одного сопла.

Предпочтительно, по меньшей мере, или первая турбина, или вторая турбина включает, по меньшей мере, одно средство для хранения текучей среды, расположенное между средством для подачи текучей среды и, по меньшей мере, одним соплом.

Предпочтительно средство для хранения текучей среды имеет емкость, которая, по меньшей мере, равна рабочему объему компрессора.

Предпочтительно, по меньшей мере, одно средство прерывания потока, по существу, останавливает поток текучей среды из, по меньшей мере, одного выхода сопла, пока давление внутри, по меньшей мере, одного сопла не повысится до предварительно заданного минимального давления, которое меньше давления в средстве подачи текучей среды или равно ему.

Предпочтительно при использовании поток текучей среды из, по меньшей мере, одного сопла прерывается, по меньшей мере, одним прерывающим средством в течение периода времени, достаточного для приведения текучей среды непосредственно перед, по меньшей мере, одним внешним соплом, по существу, в состояние покоя.

Предпочтительно ротор имеет множество каналов, которые имеют конфигурацию, расположение и размеры, обеспечивающие вращающий момент вокруг центральной оси, когда хладагент из, по меньшей мере, одного сопла входит в каналы.

Предпочтительно ротор имеет множество лопаток, которые имеют конфигурацию, расположение и размеры, обеспечивающие вращающий момент вокруг центральной оси, когда хладагент из, по меньшей мере, одного сопла входит в контакт с лопатками.

Предпочтительно, по меньшей мере, одно средство прерывания потока включает, по меньшей мере, одну лопатку, которая может быть соединена с внешней периферией ротора и может перемещаться с ней и приспособлена для прерывания потока текучей среды наружу из, по меньшей мере, одного выхода сопла, когда, по меньшей мере, одна лопатка, по существу, примыкает к, по меньшей мере, одному выходу сопла.

Предпочтительно средство прерывания потока включает множество лопаток, по существу, равномерно разнесенных по окружности внешней периферии ротора.

Предпочтительно, по меньшей мере, одно сопло при использовании обеспечивает подачу текучей среды в ротор со звуковой или сверхзвуковой скоростью.

Предпочтительно, по меньшей мере, одно выпускное отверстие включает диффузорную и расширительную секции для уменьшения скорости текучей среды и поддержания давления потока текущей среды после ее замедления до дозвуковой скорости.

Предпочтительно, по меньшей мере, одна из первой и второй турбин включает ротор, включающий две или более разнесенных друг от друга обмоток ротора, и статор, включающий множество обмоток статора вокруг ротора, причем, по меньшей мере, две из обмоток статора соединены с регулируемым источником тока, при этом каждый регулируемый источник тока может работать для возбуждения обмоток статора, с которыми он соединен.

Предпочтительно каждый регулируемый источник тока может работать для возбуждения обмоток статора, с которыми он соединен, после того, как ротор достигает предварительно заданной скорости.

Предпочтительно предварительно заданной скоростью является предельная скорость для текущих рабочих условий турбины.

Предпочтительно, каждый источник тока обеспечивает увеличение и уменьшение силы тока в их соответствующих обмотках статора в зависимости от измеренного значения выходной мощности от обмоток статора.

Согласно другому объекту настоящего изобретения обеспечен способ управления термодинамическим циклом, описанным выше, включающий многократное измерение выходной мощности от обмоток статора и увеличение силы тока в обмотках, если текущее измеренное значение выходной мощности больше предшествующего измеренного значения выходной мощности, и уменьшение силы тока в обмотках, если измеренное значение выходной мощности меньше предшествующего измеренного значения выходной мощности.

Согласно другому варианту настоящего изобретения обеспечен способ генерирования мощности в термодинамическом цикле, включающем компрессор, первую турбину, расположенную после компрессора, теплообменник, расположенный после первой турбины и обеспечивающий извлечение тепла из цикла в другой термодинамический цикл, испаритель, расположенный после теплообменника, и вторую турбину, расположенную после испарителя и перед компрессором, в котором первая и вторая турбины включают ротор и, по меньшей мере, одно сопло для подачи текучей среды в ротор для приведения в действие ротора и генерирования мощности;

способ включает обеспечение, по меньшей мере, одного средства прерывания потока для периодического прерывания потока текучей среды из, по меньшей мере, одного сопла и повышения давления текущей среды внутри, по меньшей мере, одного сопла до предварительно заданного минимального давления, которое меньше давления в средстве подачи текучей среды или равно ему, до возобновления потока текущей среды из, по меньшей мере, одного сопла.

Согласно другому варианту настоящего изобретения обеспечен способ генерирования мощности в термодинамическом цикле, включающем компрессор, конденсатор, расположенный после компрессора, первую турбину, расположенную после конденсатора, испаритель, расположенный после первой турбины, и вторую турбину, расположенную после испарителя и перед компрессором, в котором первая и вторая турбины включают ротор и, по меньшей мере, одно сопло для подачи текучей среды в ротор для приведения в действие ротора и генерирования мощности; при этом способ включает обеспечение, по меньшей мере, одного средства прерывания потока для периодического прерывания потока текучей среды из, по меньшей мере, одного сопла и повышения давления текущей среды внутри, по меньшей мере, одного сопла до предварительно заданного минимального давления, которое меньше давления в средстве подачи текучей среды или равно ему, до возобновления потока текущей среды из, по меньшей мере, одного сопла.

Предпочтительно предварительно заданное минимальное давление достаточно для достижения текучей средой локальной звуковой скорости в критическом сечении сопла.

Предпочтительно способ включает ускорение текучей среды, выходящей из, по меньшей мере, одного сопла, до сверхзвуковых скоростей.

Система управления для термодинамического цикла, описанного выше, причем система управления включает:

чувствительное средство для измерения выходной мощности термодинамического цикла;

средство управления для компрессора, причем средство управления сообщается с чувствительным средством для приема, в качестве входных данных, измеренных значений выходной мощности термодинамического цикла и измеренных значений работы, потребляемой компрессором;

при этом средство управления обеспечивает вычисление измерения эффективности на основе входных данных и изменение скорости компрессора для максимизации измерения эффективности или для поддержания измерения эффективности на заданном уровне.

Предпочтительно система управления также включает второе средство управления для второй турбины и чувствительное средство для измерения температуры контролируемой области, в которой второе средство управления принимает, в качестве дополнительных входных данных, измеренные значения температуры контролируемой области и обеспечивает открывание или закрывание прохода для потока текучей среды через вторую турбину, реагируя на обнаруженные изменения температуры в контролируемой области относительно заданного значения.

Предпочтительно второе средство управления дополнительно принимает, в качестве входных данных, измеренные значения, отображающие количество хладагента в цикле, который испарился после фазы испарения в цикле, и обеспечивает открывание или закрывание прохода для потока текучей среды через вторую турбину для поддержания количества испаренного хладагента после фазы испарения.

Предпочтительно работа второго средства управления для поддержания количества испаренного хладагента после фазы испарения осуществляется после заданной задержки после открывания или закрывания средством управления прохода для текущей среды через вторую турбину, как реакции на обнаруженные изменения температуры.

Предпочтительно система управления включает третье средство управления для конденсатора в термодинамическом цикле, причем система управления обеспечивает изменение работы конденсатора для поддержания требуемого уровня охлаждения хладагента конденсатором.

Предпочтительно первое средство управления, второе средство управления и третье средство управления являются одним микроконтроллером, или микропроцессором, или множеством микроконтроллеров или микропроцессоров, причем, по меньшей мере, избранные микроконтроллеры или микропроцессоры сообщаются друг с другом для обеспечения хронирования функций системы управления.

Система управления для термодинамического цикла, описанного выше, причем система управления включает:

чувствительное средство для измерения выходной мощности термодинамического цикла;

средство управления для компрессора, сообщающееся с чувствительным средством для приема, в качестве входных данных, измеренных значений выходной мощности термодинамического цикла и измеренных значений работы, потребляемой компрессором;

при этом средство управления обеспечивает вычисление измерения эффективности на основе входных данных и изменение скорости компрессора для максимизации измерения эффективности или для поддержания измерения эффективности на заданном уровне, причем система управления обеспечивает регулирование постоянного тока, проходящего в обмотках статора турбины.

Предпочтительно система управления обеспечивает регулирование постоянного тока, проходящего в обмотках статора, для динамического поддержания баланса турбины под нагрузкой.

Другие варианты настоящего изобретения, которое следует рассматривать со всеми его элементами новизны, будут понятны при ознакомлении с нижеследующим описанием, данным только для примера со ссылками на прилагаемые чертежи.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - термодинамический цикл предшествующего уровня техники.

Фиг.2 - первый термодинамический цикл, соответствующий варианту настоящего изобретения.

Фиг.3 - второй термодинамический цикл, соответствующий варианту настоящего изобретения.

Фиг.4 - сечение первой турбины, соответствующей варианту настоящего изобретения.

Фиг.5 - сечение второй турбины, соответствующей варианту настоящего изобретения.

Фиг.6 - увеличенный вид канала турбины, показанной на фиг.5.

Фиг.7 - третий термодинамический цикл, показывающий систему управления, соответствующую варианту настоящего изобретения.

Фиг.8-10, 12 - блок-схемы последовательности операций способа управления термодинамическим циклом, соответствующим вариантам настоящего изобретения.

Фиг.11 - схема генератора, соответствующего варианту настоящего изобретения.

Фиг.13 - блок-схема подпрограммы инициализации для системы управления.

Фиг.14 - блок-схема подпрограммы планирования для системы управления.

Краткое описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Настоящее изобретение описано здесь в отношении его применения в холодильном цикле. Специалистам в данной области техники будет понятно, что описанный контур перекачки тепла может использоваться в различных вариантах, например, для кондиционирования воздуха, охлаждения или отопления. Специалистам в данной области техники также будет понятно, что термин "хладагент" использован для описания любого рабочего тела, пригодного для использования в таком контуре или цикле.

Простой холодильный цикл известного уровня техники, показанный на фиг.1, может включать, по порядку, компрессор, конденсатор, сборник, дроссельный клапан, испаритель и аккумулятор. В некоторых вариантах известного уровня техники два из элементов, показанных на фиг.1, могут быть скомбинированы в единое устройство, например, некоторые компрессоры могут также включать аккумулятор, но работа каждого элемента обычно происходит в контуре.

Термин "турбина" использован здесь для описания устройства, которое преобразует энергию потока текучей среды в кинетическую и/или электрическую энергию. Специалистам в данной области техники будет понятно, что, когда энергия требуется в электрической форме, турбина может включать необходимый генератор электроэнергии или генератор переменного тока.

Как показано на фиг.2, теплонасосное устройство, соответствующее настоящему изобретению, включает первый холодильный контур 10, который включает по порядку первый компрессор 1, конденсатор 8, аккумулятор 2, дроссельный клапан, испаритель 5 и турбину 21. Турбина 21 преобразует энергию хладагента в кинетическую и/или электрическую энергию, таким образом снижая температуру и давление первого хладагента. Если необходимо получить для турбины хладагент необходимой плотности и давления, на одной или обеих из передней и задней сторон турбины 21 может быть размещен расширитель (не показан).

В некоторых вариантах осуществления изобретения турбина 21 может быть устроена так, чтобы исключать охлаждение хладагента до точки, в которой внутри турбины 21 образуются капли жидкого хладагента, поскольку они могут повреждать рабочие поверхности внутри турбины 21. В альтернативных вариантах турбина 21 может быть адаптирована, например, посредством использования в надлежащей степени твердых материалов для выполнения лопаток ротора, для обеспечения конденсации хладагента без повреждения турбины 21.

Специалистам в данной области техники будет понятно, какие качества хладагента, проходящего через первый испаритель 5, будут вредно влиять на тепловой поток в первый испаритель 5. Хладагент, выходящий из первого испарителя 5, проходит через первый аккумулятор 6 перед возвращением в компрессор 1. Специалистам в данной области техники будет понятно, что аккумулятор 2 и аккумулятор 6 представляют собой резервуары для хладагента для контура. Аккумулятор 6 показан пунктиром для того, чтобы показать, что он, возможно, формирует часть компрессора 1.

На фиг.3 показан альтернативный вариант выполнения теплового насоса, соответствующего настоящему изобретению, который включает первый холодильный контур 300 и второй холодильный контур 400. В предпочтительном варианте осуществления изобретения второй холодильный контур 400 может включать испаритель 405, аккумулятор, компрессор, конденсатор, сборник и дроссельный клапан ТХ (не показан), расположенные в таком же порядке и выполняющие, по существу, такие же функции, как в холодильном контуре известного уровня техники. Второй хладагент может иметь точку кипения, составляющую менее 10°С, более предпочтительно около 0°С. Пригодный второй хладагент может быть хладагентом марок R22, R134A или R123, хотя специалистам в данной области техники будет понятно, что могут быть использованы другие хладагенты с пригодными низкими точками кипения.

Второй холодильный контур 400 может управляться системой управления, описанной ниже со ссылками на фиг.7. Если требуется, оба холодильных контура могут управляться единым контроллером.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения температура хладагента, поступающего в конденсатор холодильного контура 400, может составлять свыше 30°С и предпочтительно около 60°С. Температура хладагента, поступающего в испаритель холодильного контура 400, может быть, по меньшей мере, на 10°С ниже, чем температура хладагента, поступающего в конденсатор 304.

В некоторых вариантах осуществления изобретения между компрессором и конденсатором может быть расположен один или более термоэлектрических генераторов для генерирования электроэнергии. Термоэлектрические генераторы могут быть особенно полезны, если используемым хладагентом является хладагент марки R123, поскольку температура конденсации может достигать 180°С и температура испарения между 35°С и 10°С, обеспечивая большую разность температур.

Контур 300 включает по порядку по часовой стрелке компрессор 301, конденсатор 307, первый расширитель 302а, первую турбину 302, второй расширитель 302b, теплообменник 304, испаритель 305 и вторую турбину 306.

На обеих, входной и выходной, сторонах турбины 302 в контур могут быть включены расширители для уменьшения плотности рабочего тела, поступающего в турбину 302, и для поддержания низкого давления на выходе турбины 302 после возвращения рабочего тела к дозвуковой скорости. В предпочтительном варианте осуществления изобретения расширитель может обеспечивать отсутствие повышения давления текучей среды после ее замедления до дозвуковой скорости. Без использования расширителя давление могло бы возрастать и ухудшать производительность турбины.

Расширители (не показаны) можно также включать в контур на одном или обоих из входа и выхода второй турбины 306. Расширители будут включать диффузор, если хладагент циркулирует со сверхзвуковыми скоростями вне турбины 306. Расширители на входах турбин 302, 306 необходимы для уменьшения плотности рабочего тела перед входом в критическое сечение сопла турбины. Меньшая плотность будет обеспечивать больший размер критического сечения в точке звуковой скорости рабочего тела и, следовательно, поддерживать критический минимальный удельный массовый расход для исключения какого-либо уменьшения эффективности кондиционирования воздуха. В идеальном случае, удельный массовый расход должен быть таким же, какого можно было бы ожидать без включения каждой турбины в термодинамический цикл. Объемное расширение перед соплом, таким образом, снижает плотность рабочего тела и позволяет использовать критическое сечение большего диаметра без ухудшения перехода рабочего тела от дозвуковой к сверхзвуковой скорости в критическом сечении или его удельного массового расхода.

В двух других альтернативных циклах или холодильный цикл 400, или конденсатор 304 может быть исключен.

На фиг.4 показана турбина 21, пригодная для использования с теплонасосным устройством, описанным в отношении фиг.1, 2, 3. Турбина 21 может также использоваться в холодильном контуре известного уровня техники, таком как контур, показанный на фиг.1, или в другом холодильном контуре, предпочтительно, или непосредственно перед компрессором, или непосредственно после него, с использованием, если необходимо, расширителей, расположенных вблизи турбины 21. Турбина 21 включает, по меньшей мере, одно внешнее сопло 22, установленное в корпусе (не показан) турбины 21, которое имеет сходящееся/расходящееся сечение, приспособленное для ускорения хладагента, проходящего через него, до звуковой или сверхзвуковой скоростей.

Турбина 21 описана ниже в связи с ее использованием как части теплонасосного контура, такого как описанный выше, в котором рабочим телом является хладагент. Турбина 21 может выполнять функцию дроссельного клапана ТХ в дополнение к генерированию электроэнергии, позволяя исключить из контура дроссельный клапан ТХ. Специалистам в данной области техники будет понятно, что возможны другие варианты применения турбины 21 и что рабочим телом в этих вариантах может быть какая-либо другая пригодная газообразная текучая среда.

Поток от каждого внешнего сопла 22 периодически прерывается прерывающим средством. Ниже описаны два предпочтительных прерывающих средства. Специалисты в данной области техники смогут обнаружить альтернативные средства для прерывания потока из внешнего сопла 22.

Первое прерывающее средство может включать одну или более лопаток 7, расположенных вблизи внешней периферии ротора 23 турбины и приспособленных для, по существу, предотвращения выхода хладагента из внешнего сопла 22, когда лопатка 7 находится вблизи выхода 12 внешнего сопла. Специалистам в данной области техники будет понятно, что зазор между выходом внешнего сопла 22 и лопатками 7 увеличен на фиг.4 и что реальный зазор будет достаточно небольшим для прерывания или существенного сдерживания потока из сопла 22, когда лопатки 7 примыкают к выходу 12 сопла.

Второе прерывающее средство 11 может включать электронный клапан, расположенный вблизи выпускного отверстия 12 внешнего сопла. Второе прерывающее средство 11 может иметь очень быструю реакцию и может работать, например, подобно электронной дизельной форсунке в общей топливной магистрали.

Резервуар 13 для хранения хладагента может быть расположен вблизи внешнего входа 14 сопла. Если компрессор, подающий хладагент во внешнее сопло 22, является объемным компрессором, то резервуар 13 для хранения хладагента может иметь внутренний объем, по меньшей мере, равный одному рабочему объему первого компрессора. Резервуар 13 для хранения хладагента может иметь любую емкость, превышающую рабочий объем компрессора. Резервуар 13 для хранения хладагента предпочтительно может быть изолированным сферическим контейнером, расположенным как можно ближе к внешнему входу 14 сопла.

Лопатки 7 и второе прерывающее средство 11 могут останавливать поток хладагента достаточно быстро для создания роста адиабатического давления во внешнем сопле 22 без соответствующего увеличения энтальпии. Поток хладагента может прерываться на период времени, который достаточно продолжителен для того, чтобы давление внутри внешнего сопла 22 и более предпочтительно внутри резервуара 13 для хранения хладагента достигало предварительно заданного минимального давления, которое меньше давления, подаваемого первым компрессором. Это давление может быть задано для обеспечения того, что, когда и лопатки 7, и второе прерывающее средство 11 находятся в открытом положении, хладагент выходит из внешнего сопла 22 со звуковой или сверхзвуковой скоростями.

Период времени, в течение которого каждая лопатка 7 останавливает поток из внешнего сопла 22, зависит от длины окружности ротора 23 турбины, частоты вращения ротора 23 и длины лопатки 7 в направлении вдоль окружности. В некоторых вариантах осуществления изобретения этот период времени может быть достаточно продолжительным, чтобы второе прерывающее средство 11 не требовалось.

В других вариантах осуществления изобретения второе прерывающее средство может обеспечивать закрывание достаточно быстро, чтобы лопатки 7 не были нужны, но во многих случаях лопатки 7 могут представлять собой относительно простое прерывающее средство, которое способно закрывать выпускное отверстие 12 внешнего сопла с высокой скоростью.

Резервуар 13 для хранения хладагента, лопатки 7 и второе прерывающее средство 11 могут обеспечивать увеличение количества энергии, извлекаемой из хладагента, и все же могут допускать прохождение достаточного количества хладагента для обеспечения адекватного общего эффекта поглощения тепла из холодильного контура. Это может облегчать или содействовать исключению из холодильного контура сборника и дроссельного клапана ТХ.

Следует отметить, что, когда прерывающее средство закрывается, массовый расход рабочего тела, в данном случае хладагента, между внешним соплом 22 и источником высокого давления, питающим внешнее сопло 22, который в большинстве случаев может быть первым компрессором, может снижаться до нуля и давление в резервуаре 13 для хранения хладагента и на входе 14 внешнего сопла может возрастать до максимального давления выпускной линии первого компрессора. Это отклонение давления вверх является функцией снижения удельного массового расхода текучей среды. Когда удельный массовый расход равен нулю, перепад давлений на уровне внешнего сопла 22 может быть, по существу, равным нулю, таким образом, давление на входе 14 внешнего сопла имеет максимальное значение, и изменение кинетической энергии в хладагенте равно нулю, и изменение энтальпии равно нулю. Таким образом, когда хладагент останавливается, давление возрастает на входе 14 внешнего сопла до максимального значения, создаваемого компрессором, и изменение энтальпии равно нулю. Также предполагается, что, если период времени, когда поток хладагента остановлен, короткий по сравнению с периодом времени, в течение которого хладагент имеет возможность течь, нарушение общего массового расхода в холодильном контуре, элементом которого является турбина 21, будет минимальным.

Следует также отметить, что преимущество остановки массового расхода через внешнее сопло 22 состоит в том, что, если период времени прерывания потока достаточно короткий и возрастание давления хладагента происходит, по существу, адиабатически, изменения энтальпии неподвижного хладагента во внешнем сопле 22 не будет. Кроме того, если возрастание внутренней энергии в течение периода времени, когда хладагент неподвижен и хладагент сжат, компенсируется расширением хладагента и уменьшением его работы в течение времени, когда массовый расход существует, что может быть достигнуто надлежащим подбором соотношения времени, в течение которого хладагент течет, и времени, когда течение хладагента прервано, процесс извлечения теплосодержания может стать, по существу, непрерывным. Это может приводить к увеличенному извлечению теплосодержания из рабочего тела в системах известного уровня техники.

Специалистам в данной области техники также будет понятно, что синхронизация второго прерывающего средства 11 может управляться средством обработки данных (не показано). Средство обработки данных может принимать информацию об угловом положении ротора 23 турбины от любых пригодных средств, но предпочтительно от датчика Холла или подобного средства, установленного на корпусе турбины (не показан), который может считывать пригодный технологический знак на роторе 23. Средство обработки может также изменять частоту вращения ротора 23 турбины посредством изменения частоты открывания второго прерывающего средства 11.

Хотя ротор 23 турбины показан как имеющий лопатки с конфигурацией активного типа, следует понимать, что прерывающие средства, такие как описанные выше, также особенно пригодны для использования с другими конструкциями турбин радиального типа, например, такими, как используемые в автомобильных турбонагнетателях, подобных показанному на фиг.11.

На фиг.5 показан альтернативный вариант выполнения ротора 23А турбины, имеющий множество, по существу, спиральных каналов 602, ведущих к центральному выпускному отверстию 603. Центральное выпускное отверстие 603 может быть расположено в центре ротора 23А и может проходить, по существу, в направлении, соответствующем центральной оси ротора 23А. Площадь сечения каждого канала 602 может непрерывно уменьшаться от входа 604 к выходу 605.

Предпочтительно отношение площади входа 604 к площади выхода 605 может составлять, по существу, 6:1 для обеспечения работы с гиперзвуковой скоростью с минимальным ограничением потока рабочего тела.

Как показано на фиг.6, центральная линия 606 каждого канала 602 может пересекать радиус 607 ротора 23А, по меньшей мере, в двух точках 608, 609 между входом 604 и выходом 605.

Поток текучей среды, показанный стрелками F, может входить в канал 602 через вход 604. Поскольку направление текучей среды F изменяется внутри канала 602, изменение количества движения текучей среды F может создавать вращающую силу, воздействующую на ротор 23А. Предпочтительно вращающая сила может передаваться либо пригодному генератору электроэнергии, либо любому другому пригодному механизму, который может приводиться в действие вращающимся валом. Предпочтительно текучая среда F изменяет направление движения на угол, максимально приближенный к 180°, в направлении в пределах канала 602 для максимизации изменения количества движения и, таким образом, энергии, сообщаемой ротору 23А.

Ротор 23А может использоваться с электронным вторым прерывающим средством, которое описано выше, хотя специалистам в данной области техники будет понятно, что в некоторых вариантах осуществления изобретения участок разнесения 610 между входами 604 каналов может действовать как прерывающее средство.

На фиг.7 показан цикл кондиционирования/охлаждения воздуха, в целом обозначенный стрелкой 100, соответствующий другому варианту настоящего изобретения.

Как и цикл 300, показанный на фиг.3, цикл 100 может отличаться от циклов кондиционирования воздуха или охлаждения известного уровня техники тем, что дроссельный клапан ТХ и сборник, обычные для циклов известного уровня техники, могут быть исключены. Дроссельный клапан ТХ заменен турбиной 114, которая в этом варианте осуществления изобретения расположена между конденсатором 105 и испарителем 122. Перед конденсатором 105 может быть расположен термоэлектрический генератор 103.

Вторая турбина 130 расположена между выходом испарителя 122 и аккумулятором 128. Расширители 130а и 130b, если их используют, расположены с двух сторон турбины 130. Это сделано для обеспечения достаточно низкой плотности рабочего тела, входящего в турбину, что позволяет использовать сопло достаточно большого диаметра в турбине 130 без ухудшения работы турбины 130 при сверхзвуковой скорости, удельного массового расхода системы или ее эффективности охлаждения.

Вторичный теплонасосный цикл, обозначенный стрелкой 200, содержит теплообменник 201, который следует за расширителем 114с и обеспечивает извлечение тепла из первичного цикла 100 для обеспечения того, что температура и давление рабочего тела, входящего в испаритель 122, будут достаточно низкими для эффективной работы испарителя 122. Вторичный цикл содержит все существенные элементы теплового насоса, описанные в отношении цикла 10 известного уровня техники, показанного на фиг.1, с дополнительными средствами управления, показанными на фиг.7 и описанными здесь для цикла 100.

Рабочее тело под высоким давлением может выходить из компрессора 101 по выходной линии 102 компрессора, по существу, в парообразной фазе и может поступать в термоэлектрический генератор 103 или может проходить прямо в конденсатор 105. Термоэлектрический генератор 103, если его используют, может производить выходной постоянный ток 103а низкого напряжения, который может быть преобразован в выходной ток 104а высокого напряжения при помощи преобразователя 104 постоянного тока.

Конденсатор 105 обеспечивает извлечение тепла из рабочего тела. Количество отходящего тепла можно регулировать за счет скорости вентилятора 106 конденсатора, который продувает воздух через конденсатор 105. Скорость вентилятора 106 конденсатора может быть задана приводом 107 с регулируемой частотой вращения, управляемым ведущим приводом 109 с регулируемой частотой вращения по линии 108 связи. Привод 107 с регулируемой частотой вращения включает пригодное программное обеспечение для регулирования скорости вентилятора 106 конденсатора.

Ведущий привод 109 с регулируемой частотой вращения может включать вводы 110, 111 и 112 от термопар для получения информации о температуре (Т1) хладагента, поступающего в испаритель, температуре (Т2) хладагента, выходящего из испарителя, и температуре (Т4) воздуха, выходящего из испарителя соответственно. Другая термопара (Т4а) и датчик 115 давления могут измерять температуру и давление рабочего тела, поступающего в турбину 114.

Посредством измерения температуры и давления рабочего тела, поступающего в турбину, и заданных температур в цикле программное обеспечение ведущего привода 109 с регулируемой частотой вращения может обеспечивать оценку плотности рабочего тела, поступающего в турбину 114, при помощи справочной таблицы программного обеспечения и может корректировать скорость компрессора 101 и/или вентилятора 106 конденсатора и/или вентилятора 126 испарителя, чтобы она была достаточно низкой для того, чтобы пар, проходящий через критическое сечение сходящегося/расходящегося сопла 117, которое питает турбину 114, имел, по существу, звуковую скорость. Расширитель 114а дополнительно обеспечивает уменьшение плотности рабочего тела, поступающего в турбину 114.

Рабочее тело, имеющее звуковую скорость и выходящее из критического сечения сопла турбины, может продолжать ускорение в расходящейся секции сопла 117, пока не достигнет сверхзвуковой скорости.

Высокоскоростное рабочее тело приводит в действие ротор турбины. Турбина может приводить нагрузку 121 например электрогенератор, при помощи пригодного соединения 120. Ускорение рабочего тела в сопле 117 предпочтительно до звуковой или сверхзвуковой скоростей может вызвать падение его температуры и давления. В этом случае энергия рабочего тела может извлекаться в результате прохождения через турбину 114.

Смесь высокоскоростного рабочего тела под высоким давлением в обеих, парообразной и жидкой, фазах проходит в испаритель 122 через расширитель 114с, который предназначен для предотвращения возрастания давления рабочего тела, когда рабочее тело замедляется при извлечении его кинетической энергии турбиной 114. Если необходимо, расширитель 114с может также иметь диффузор 114b для снижения скорости рабочего тела до дозвукового значения перед входом в расширитель 114с.

Змеевик 123 испарителя может поглощать тепло из более теплого воздуха 124, находящегося снаружи испарителя 122. Охлажденный воздух 125 может удаляться из испарителя 122 вентилятором 126 испарителя. Частота вращения вентилятора 126 испарителя может изменяться дополнительным приводом 130 с регулируемой частотой вращения, соединенным с силовым входом вентилятора 126 испарителя и управляемым ведущим приводом 109 с регулируемой частотой вращения по линии 108а связи. Частота вращения вентилятора 126 испарителя может изменяться, как реакция на падение температуры воздуха 124, проходящего через испаритель 122.

Аккумулятор 128 может обеспечивать испарение любой текучей среды, оставшейся в жидкой фазе, до поступления на вход 129 компрессора. Аккумулятор 128 может также действовать как резервуар для рабочего тела для замены сборника, используемого в некоторых циклах кондиционирования/охлаждения воздуха известного уровня техники.

Ведущий привод 109 с регулируемой частотой вращения может обеспечивать регулирование скорости компрессора 101 для оптимизации его коэффициента полезного действия, по существу, как описано здесь ниже, хотя управление дроссельным клапаном ТХ будет опущено вследствие исключения дроссельного клапана ТХ из цикла 100.

Если турбина 114 приводит в действие электрогенератор 121, электрогенератор 121 может быть как генератором постоянного тока, так и генератором переменного тока. Предпочтительно генератор 121 может быть высоковольтным генератором постоянного тока с напряжением на выходе в пределах 670 вольт. В предпочтительном варианте, силовой вывод 114В постоянного тока может быть соединен с шиной 109В постоянного тока ведущего привода 109 с регулируемой частотой вращения через разделительную цепь диода и конденсатора, которая может подавать мощность только в одном направлении, таким образом исключая обратную связь мощности, потребляемой от сети, с генератором 121.

Специалистам в данной области техники будет понятно, что описанные выше циклы кондиционирования воздуха могут быть более энергоэкономичными, чем циклы известного уровня техники, благодаря энергии, извлекаемой турбиной, и, когда его используют термоэлектрическим генератором, а также благодаря регулированию скорости компрессора для оптимизации общего коэффициента полезного действия.

На фиг.8-10 показано несколько блок-схем, иллюстрирующих пример процесса вычисления, соответствующего настоящему изобретению, который может осуществляться для управления циклом кондиционирования воздуха, таким как циклы, описанные здесь в отношении фиг.1, 2, 3, 7, 8, или другие циклы, включающие циклы известного уровня техники, если требуется. Процесс может управляться посредством любого пригодного микроконтроллера, микропроцессора или подобного средства, имеющего управляющий выход для управления сигналом возбуждения регулятора частоты вращения для компрессора. Для ясности в нижеследующем описании предполагается, что используется микроконтроллер.

Как показано на фиг.8, при включении питания или перед выполнением алгоритмов управления может выполняться программа инициализации, согласно которой могут инициализироваться выбранные флаги, регистры и счетчики, в типичном случае, посредством установки на нуль, если это требуется для конкретного осуществления алгоритмов управления.

На фиг.13 показана блок-схема, иллюстрирующая возможную подпрограмму инициализации. Временные интервалы, с которыми обслуживаются/оптимизируются внешние устройства (например, компрессор, дроссельный клапан ТХ, конденсатор, возбудитель генератора), вводятся как задержка 1 - задержка n. Для конкретного теплового насоса, посредством которого осуществляется управление, задают справочную таблицу и вводят записи для целевых коэффициентов полезного действия (СОР3-COPn) для теплового насоса, работающего с определенными перепадами температур (от (Т1-Т3)(1) до (Т1-Т3)(n)) на уровне испарителя.

Микропроцессор может считывать состояние переключателя SW1. Переключатель SW1 предписывает, будет ли микроконтроллер автоматически планировать обслуживание/оптимизацию параметров управления для теплового насоса. Может также считываться и затем инициализироваться текущее состояние любых требуемых флагов, счетчиков и регистров.

Затем формируется справочная таблица на основе введенных перепадов температур от (Т1-Т3)(1) до (Т1-Т3)(n) и связанных с ними целевых коэффициентов полезного действия СОР3-COPn для использования при обслуживании/оптимизации теплового насоса (см. ниже). Наконец, микропроцессор устанавливает флаг, который предписывает ручной или автоматический режим работы на основе статуса переключателя SW1.

Микропроцессор принимает в качестве входных данных значения температуры Т1 хладагента, поступающего в испаритель, температуры Т2 хладагента, выходящего из испарителя, и мощности KW1 электродвигателя компрессора. Также вводятся заданное значение тепловой нагрузки Т3, требуемое приращение К2 скорости электродвигателя и требуемое понижение К3 скорости электродвигателя компрессора и постоянная К1 для хладагента кондиционирования воздуха. Значение К1 можно определять экспериментальным путем для конкретного цикла кондиционирования воздуха, и оно представляет приращение тепла, извлеченного на градус изменения температуры между Т1 и Т2.

Приняв эти входные данные, микропроцессор вычисляет разность между Т1 и Т3. Эта разность затем используется для поиска соответствующего коэффициента полезного действия для теплового насоса в хранящейся в памяти справочной таблице, где коэффициент полезного действия представляет тепло, извлеченное на единицу потребляемой работы.

В альтернативном варианте, вместо работы по целевому значению коэффициента полезного действия микропроцессор может обеспечивать повышение/понижение скорости компрессора для максимизации коэффициента полезного действия, если коэффициент полезного действия для цикла не повышается непрерывно с повышением скорости компрессора. Специалистам в данной области техники также будет понятно, что, если необходимо, можно использовать переменные, отличные от перепада температур на уровне испарителя.

Если Т1-Т3 меньше или равно нулю, тепловой насос не работает и микроконтроллеру не остается ничего другого, кроме возвращения к началу алгоритма. Если Т1-Т3 больше нуля, фактический коэффициент полезного действия СОР2, который основан на измеренных переменных Т1, Т2 и KW1, вычисляется согласно уравнению 1

COP2=K1|T1-T2|/KW1 уравнение 1

Если требуется, могут использоваться другие критерии, относящиеся к производительности цикла в зависимости от потребляемой компрессором работы. Как здесь описано, в рассматриваемом данном предпочтительном варианте осуществления изобретения используются измерения перепада температур для получения характеристики полезной теплопередачи системой, поскольку измерения температур могут осуществляться сравнительно легко. Однако могут использоваться альтернативные критерии оценки характеристик системы, которые относятся к производительности системы относительно работы, потребляемой компрессором.

Вычисленный коэффициент полезного действия СОР2 затем сравнивается с целевым коэффициентом полезного действия СОР1. Если значение СОР1 меньше значения СОР2, скорость компрессора увеличивается на К2. И наоборот, если целевой СОР1 больше вычисленного СОР2, скорость электродвигателя уменьшается на К3. Затем выполняется подпрограмма задержки (не показана) для учета любой задержки реакции цикла на изменение скорости компрессора. Требуемая задержка по времени может быть определена экспериментальным путем посредством принудительных коррекций скорости компрессора на приращения К2 и К3 и измерения максимального времени возвращения цикла кондиционирования воздуха в устоявшееся состояние. Для достижения этой задержки можно использовать любую пригодную подпрограмму задержки. Выполнение подпрограммы задержки завершается после того, как любая управляющая переменная изменяется до анализа и изменения другой управляющей переменной для обеспечения того, что система остается стабильной и/или для обеспечения того, что для получения данных измерений как входных данных для алгоритмов управления используются условия устоявшегося состояния. Выполнение алгоритмов управления может осуществляться периодически с заданными временными интервалами, непрерывно с надлежащей временной задержкой между циклами управления или на основе графика.

На фиг.9 схематически показан алгоритм управления для управления работой дроссельного клапана, если его применяют в тепловом насосе. Алгоритм управления может также применяться с любым управляемым устройством, которое выполняет такую же или подобную функцию, как и дроссельный клапан.

Микроконтроллер принимает в качестве входных данных о температуре данные о температуре Т4 ненасыщенного воздуха, выходящего из испарителя, и постоянную Т5, представляющую значение температуры перегрева, прибавленное к температуре рабочего тела на выходе испарителя. Он также принимает входные данные о давлении Р1, представляющие давление рабочего тела на выходе испарителя, данные о текущем состоянии дроссельного клапана ТХ или эквивалента ТХ1 и задает операции К4 и К5 для усиления и ослабления работы дроссельного клапана ТХ соответственно.

Микроконтроллер вычисляет Т6 как сумму Т4 и Т5 и вычисляет Т7 как произведение Р1 и постоянной К6, что облегчает преобразование давления в температуру рабочего тела. Если температура Т6 меньше Т7, дроссельный клапан ТХ открывается с приращением К4, и если температура Т6 больше Т7, дроссельный клапан ТХ закрывается с приращением К5. В другом случае дроссельный клапан ТХ остается в текущем состоянии. Величина шага приращения и уменьшения может быть одинаковой (К4=К5). Затем выполняется подпрограмма задержки для того, чтобы цикл достиг установившегося состояния или состояния, близкого к установившемуся до того, как будет предпринято любое дальнейшее действие.

При изменении установок дроссельного клапана ТХ необходимо предпочтительно проверять то, что дроссельный клапан ТХ продолжает работать таким образом, что хладагент во всасывающей линии компрессора после испарителя достаточно перегрет для того, чтобы он был в парообразном состоянии. Таким образом, каждый раз, когда активизируется подпрограмма задержки, следующая за изменением состояния дроссельного клапана ТХ, микроконтроллер может осуществлять дополнительную проверку работы дроссельного клапана ТХ. Такая проверка может быть необходимой только в случае, если средство контроля пределов работы дроссельного клапана ТХ не включено уже как часть дроссельного клапана и если существующие алгоритмы управления не сдерживают дроссельный клапан ТХ в допустимом рабочем диапазоне.

При изменениях скорости компрессора и проходного отверстия дроссельного клапана ТХ работа конденсатора также будет изменяться. Таким образом, контроллер может также управлять рабочим вентилятором конденсатора. Этот процесс показан на фиг.10.

Входными данными о температуре для алгоритма являются указанные выше Т1 и Т3, температура Т8 в линии подачи текучей среды, измеренная в заданной точке теплового насоса, в типичном случае, в точке, находящейся непосредственно после конденсатора, и целевая температура Т10 для температуры в линии подачи текучей среды. Величина шага приращения К7 скорости вентилятора конденсатора и величина шага приращения К8 скорости вентилятора конденсатора также являются входными данными для алгоритма наряду с текущей скоростью CFS1 вентилятора конденсатора, минимальной скоростью CFS_min вентилятора конденсатора и максимальной скоростью CFS_max вентилятора конденсатора. Хотя операции использования значений минимальной скорости CFS_min вентилятора конденсатора и максимальной скорости CFS_max вентилятора конденсатора не показаны на фиг.11, значения минимальной скорости CFS_min вентилятора конденсатора и максимальной скорости CFS_max вентилятора конденсатора ограничивают допустимую скорость вентилятора компрессора.

Микроконтроллер сначала вычисляет Т11 как разность между Т3 и Т1 и завершает алгоритм управления для скорости вентилятора конденсатора, если Т3 больше или равна Т1. Если Т3 меньше Т1, цикл работает и тепло извлекается конденсатором. Затем микроконтроллер вычисляет Т12 как разность Т10 и Т8, и если целевая температура Т10 меньше фактической температуры Т8, текущая скорость CFS1 компрессора увеличивается на К7, и если Т10 больше Т8, текущая скорость компрессора снижается на К8. После изменения работы вентилятора конденсатора осуществляется дополнительная временная задержка.

Микропроцессор может также изменять хронирование второго прерывающего средства 11 для оптимизации избранного параметра каждого холодильного контура. В некоторых вариантах осуществления изобретения избранным параметром может быть тепло, поглощаемое испарителем, тогда как в других вариантах избранным параметром может быть суммарная мощность, потребляемая одним или более компрессоров.

На фиг.14 схематически показан алгоритм управления для планирования описанных выше алгоритмов управления/оптимизации. В памяти хранится таблица временных параметров, которая определяет, когда должен осуществляться каждый алгоритм. Эта таблица временных параметров будет вводиться администратором теплового насоса. При включении питания указатель устанавливается на исходное значение в таблице временных параметров и начинают работать часы. Таблица временных параметров содержит последовательный перечень всех алгоритмов управления, переменную временной задержки, которая обозначает временную задержку, которая должна осуществляться между каждым выполнением данного алгоритма управления, и адрес, указывающий, где может быть обнаружен в памяти алгоритм управления.

Микроконтроллер считывает текущее время, отсчитываемое часами реального времени, и добавляет временную задержку, указанную в таблице временных параметров, для задания текущего времени обслуживания. Текущее время обслуживания затем считывается и сравнивается с отсчетом реального времени. Процесс продолжается непрерывными циклами с проверкой реального времени относительно текущего времени обслуживания для каждого алгоритма, пока отсчет реального времени не достигнет текущего времени обслуживания для алгоритма. Когда это происходит, микропроцессор выходит из цикла, считывает начальный адрес для алгоритма из таблицы временных параметров и выполняет алгоритм. После выполнения алгоритма микропроцессор возвращается в цикл, что обозначено как "возврат" на фиг.14.

Роторы генераторов теплового насоса могут работать с высокими частотами вращения. Например, генераторы и тепловой насос могут быть приспособлены для вращения роторов с частотой 15000 об/мин или более. Для поддержания производительности генератора при высоких скоростях вращения необходимо сбалансировать вращающуюся группу (турбину, ротор, вал и систему подшипников). Кроме того, герметизация ротора и генератора в холодильном цикле может устранять проблемы потерь и надежности передачи мощности цикла через вал. Кроме того, если используется ротор с фиксированными магнитами, прецизионная балансировка затрудняется из-за магнитного поля вокруг ротора и из-за того, что ферромагнитные компоненты установки намагничиваются, и если к генератору прилагается внезапная нагрузка, возникающая в результате этого сила может разбалансировать ротор.

Генератор, соответствующий настоящему изобретению, включает немагнитный ротор, который не может быть намагничен. Ротор может быть выполнен, например, из электротехнической стали марки Lycore 150. Электрическое поле, излучаемое ротором, контролируется катушками ротора, намотанными на каркасах из ферритовых стержней F5 высокой проницаемости. Можно использовать другие пригодные материалы.

Элементы турбины, расположенные в непосредственной близости к ротору, и корпус для ротора могут быть выполнены из пригодной пластмассы, стойкой к сильным напряжениям, создаваемым в генераторе. Таким образом, эти элементы не взаимодействуют с исходящим от ротора электрическим полем или электрическим полем от находящихся под током обмоток статора. Обмотки статора намотаны на тороидальные сердечники, расположенные на пластмассовом корпусе. Тороидальный сердечник может быть выполнен из электротехнической листовой стали марки Lycore 150 или, более предпочтительно, из специально отформованного феррита F5 или его эквивалента высокой проницаемости.

На фиг.11А-D показан турбогенератор, обозначенный в целом стрелкой 500. Весь генератор 500 может быть герметизирован в цикле кондиционирования воздуха. На фиг.11А показан вид сверху турбогенератора 500 с удаленными крышками для наглядности, и на фиг.11В показано сечение по линии ВВ на фиг.11А. Турбогенератор 500 включает корпус 501 турбины, несущий корпус 502 статора, удерживающий статор 504, и закрывающие пластины 503А-D. На фиг.11С и 11D показаны сечения по линиям СС и DD на фиг.11В соответственно. Корпус 501 турбины содержит турбину 505, включающую ротор 506 и сопло 507, удерживаемое держателем 508 сопла. В сопло 507 по входной трубке 509 подается хладагент. Ротор 510 генератора включает четыре катушки 511-514 ротора, формирующие четырехполюсный ротор 510. Катушки 511-514 могут иметь короткозамкнутые концы или концы, соединенные резистивным элементом, полное сопротивление/сопротивление которого повышается с повышением температуры для обеспечения ограничения тока для защиты обмоток ротора. Катушки могут быть выполнены, например, из медной проволоки толщиной 1 мм и могут иметь 135 витков вокруг 19-мм каркаса из феррита F5. Однако специалисты в данной области техники должны понимать, что количество обмоток ротора 510 генератора и статора 504, сердечник, используемый для обмоток, воздушный зазор между обмотками ротора 510 генератора и статора и количество полюсов на роторе 510 генератора могут изменяться в соответствии с требованиями для генератора 500. Ротор 506 турбины предпочтительно имеет прерывающие средства, описанные выше со ссылками на фиг.4, и может иметь конструкцию лопаток, описанную со ссылками на фиг.4 или 5.

Обмотки статора 504 могут быть соединены друг с другом группами из двух или более соседних обмоток. Выводы переменного тока каждой группы обмоток соединены с другими группами с интервалами 90° для четырехполюсного ротора 510. Каждая из групп обмоток соединена с регулируемым генератором постоянного тока (не показан), который подает постоянный ток в обмотки статора. Конденсаторы изолируют обмотки и генератор постоянного тока от выводов переменного тока. Группы обмоток возбуждаются постоянным током, создающим чередующиеся пары северного и южного полюсов по окружности ротора, которые могут быть разнесены с интервалами 90°, при этом одинаковые поля находятся против друг друга с интервалами 180°. Таким образом, электрическое поле сбалансировано вокруг ротора 510 и может, если необходимо, регулироваться для коррекции любого дисбаланса ротора 510 при обнаружении любого дисбаланса в ходе работы. Другие обмотки статора не будут иметь соединения с генератором постоянного тока. Например, в статоре может быть всего 18 групп обмоток, четыре из которых соединены с генераторами постоянного тока. Если требуется, можно применять две, три или более четырех обмоток статора, соединенных с генераторами постоянного тока.

Полярность постоянного тока можно периодически реверсировать для обеспечения того, что ферромагнитные элементы турбины 500 не будут приобретать постоянное подмагничивание.

Турбины известного уровня техники имеют характеристики по рабочей скорости и вращающему моменту, которые постоянны и не могут регулироваться без потери производительности. Однако турбина 500, соответствующая настоящему изобретению, допускает динамическое регулирование напряженности поля возбуждения, изменяющее характеристики генератора таким образом, что турбина 500 может работать с наиболее благоприятной скоростью и вращающим моментом для поддержания работы в пределах постоянных параметров. Для применения в качестве турбины в описанных здесь тепловых насосах турбина 500, соответствующая настоящему изобретению, может использоваться для поддержания работы со сверхзвуковой скоростью.

Когда турбина 500 достигает предельной скорости, приводятся в действие генераторы постоянного тока, генерирующие электрическое поле обмотками статора, соединенными с генератором, который генерирует постоянный ток в катушках ротора 510 при вращении ротора 510. В этом случае в обмотках статора генерируется постоянный ток, который подается на выход генератора. Выходной постоянный ток может быть выпрямлен, и, если генератор формирует часть теплового насоса, энергия может быть использована для частичного питания компрессора теплового насоса.

На фиг.12 схематически показан алгоритм управления для обмоток статора. Алгоритм управления, показанный на фиг.12, используется после того, как ротору 510 сообщена определенная частота вращения, и в обмотках статора проходит постоянный ток. Суммарный ток IT на выходе и суммарное напряжение VT на выходе статора измеряют. Это может быть достигнуто посредством осуществления измерений тока I1-In на выходе и напряжения V1-Vn на выходе для каждой группы обмоток статора. Суммарную выходную мощность вычисляют как произведение IT и VT. Ее сравнивают с предшествующей выходной мощностью. Если предшествующая выходная мощность будет меньше текущей выходной мощности, постоянный ток в обмотках статора усиливают с заданной величиной шага. Если предшествующая выходная мощность будет больше текущей выходной мощности, постоянный ток в обмотках статора уменьшают с заданной величиной шага. Специалистам в данной области техники будет понятно, что алгоритм, показанный на фиг.12, можно использовать для управления множеством целевых генераторов.

Если в предшествующем описании сделаны ссылки на конкретные элементы или целые устройства, соответствующие изобретению, эквиваленты которых известны, предполагается, что такие эквиваленты включены сюда как если бы они были описаны отдельно.

Хотя настоящее изобретение описано для примера и со ссылками на возможные варианты его осуществления, следует понимать, что в них могут быть внесены модификации и усовершенствования без отхода от объема изобретения, определенного прилагаемой формулой изобретения.

1. Система для термодинамического цикла, включающая компрессор, первую турбину, расположенную после компрессора, теплообменник, расположенный после первой турбины, и обеспечивающий извлечение тепла из цикла в другой термодинамический цикл, испаритель, расположенный после теплообменника, и вторую турбину, расположенную после испарителя и перед компрессором.

2. Система для термодинамического цикла, включающая компрессор, конденсатор, расположенный после компрессора, первую турбину, расположенную после конденсатора, испаритель, расположенный после первой турбины, и вторую турбину, расположенную после испарителя и перед компрессором.

3. Система по п.2, дополнительно включающая теплообменник, расположенный между первой турбиной и испарителем, причем теплообменник обеспечивает извлечение тепла в другой термодинамический цикл.

4. Система по п.2, в которой, по меньшей мере, или первая турбина, или вторая турбина включает

камеру ротора,

ротор, вращающийся вокруг центральной оси внутри камеры ротора, по меньшей мере, одно сопло, включающее выход сопла для подачи текучей среды из средства для подачи текучей среды в термодинамическом цикле в ротор для приведения в действие ротора и генерирования мощности,

по меньшей мере, одно выпускное отверстие для выпуска, при использовании, текучей среды из турбины,

при этом поток текучей среды из, по меньшей мере, выхода одного сопла периодически прерывается, по меньшей мере, одним средством прерывания потока для повышения давления текучей среды внутри, по меньшей мере, одного сопла.

5. Система по п.4, в которой, по меньшей мере, или первая турбина, или вторая турбина включает, по меньшей мере, одно средство для хранения текучей среды, расположенное между средством для подачи текучей среды и, по меньшей мере, одним соплом.

6. Система по п.5, в которой средство для хранения текучей среды имеет емкость, которая, по меньшей мере, равна рабочему объему компрессора.

7. Система по п.4, в которой, по меньшей мере, одно средство прерывания потока по существу обеспечивает остановку потока текучей среды из, по меньшей мере, одного выхода сопла, пока давление внутри, по меньшей мере, сопла не повысится до предварительно заданного минимального давления, которое меньше давления в средстве подачи текучей среды или равно ему.

8. Система по п.4, в которой, при использовании, поток текучей среды из, по меньшей мере, одного сопла прерывается, по меньшей мере, одним прерывающим средством в течение периода времени, достаточного для приведения текучей среды непосредственно перед, по меньшей мере, одним внешним соплом по существу в состояние покоя.

9. Система по п.4, в которой ротор имеет множество каналов, которые имеют конфигурацию, расположение и размеры, обеспечивающие вращающий момент вокруг центральной оси, когда хладагент из, по меньшей мере, одного сопла входит в каналы.

10. Система по п.4, в которой ротор имеет множество лопаток, которые имеют конфигурацию, расположение и размеры, обеспечивающие вращающий момент вокруг центральной оси, когда хладагент из, по меньшей мере, одного сопла входит в контакт с лопатками.

11. Система по п.4, в которой, по меньшей мере, одно средство прерывания потока включает, по меньшей мере, одну лопатку, которая соединена с внешней периферией ротора, и перемещается с ней, и приспособлена для прерывания потока текучей среды наружу из, по меньшей мере, одного выхода сопла, когда, по меньшей мере, одна лопатка по существу примыкает к, по меньшей мере, одному выходу сопла.

12. Система по п.11, в которой средство прерывания потока включает множество лопаток, по существу равномерно разнесенных по окружности внешней периферии ротора.

13. Система по п.4, в которой, по меньшей мере, одно сопло, при использовании, обеспечивает подачу текучей среды в ротор со звуковой или сверхзвуковой скоростью.

14. Система по п.13, в которой, по меньшей мере, одно выпускное отверстие включает диффузорную и расширительную секции для уменьшения скорости текучей среды и поддержания давления потока текучей среды после ее замедления до дозвуковой скорости.

15. Система по п.1, в которой, по меньшей мере, одна из первой и второй турбин включает ротор, имеющий две или более разнесенных друг от друга обмоток ротора, и статор, имеющий множество обмоток статора вокруг ротора, причем, по меньшей мере, две из обмоток статора соединены с регулируемым источником тока, при этом каждый регулируемый источник тока обеспечивает возбуждение обмоток статора, с которыми он соединен.

16. Система по п.15, в которой каждый регулируемый источник тока обеспечивает возбуждение обмоток статора, с которыми он соединен, после того, как ротор достигает предварительно заданной скорости.

17. Система по п.16, в которой предварительно заданной скоростью является предельная скорость для текущих рабочих условий турбины.

18. Система по п.15 или 16, в которой каждый источник тока обеспечивает увеличение или уменьшение силы тока в их соответствующих обмотках статора в зависимости от измеренного значения выходной мощности от обмоток статора.

19. Способ управления для системы, содержащей термодинамический цикл, и включающей компрессор, конденсатор, расположенный после компрессора, первую турбину, расположенную после конденсатора, испаритель, расположенный после первой турбины, и вторую турбину, расположенную после испарителя и перед компрессором, в которой, по меньшей мере, одна первая и вторая турбины включают ротор, имеющий две или более разнесенных друг от друга обмотки ротора, и статор, имеющий множество обмоток статора вокруг ротора, причем, по меньшей мере, две обмотки статора соединены с регулируемым источником тока, а каждый регулируемый источник тока обеспечивает возбуждение обмоток статора, с которыми он соединен,

включающий многократное измерение выходной мощности от обмоток статора ротора в системе и увеличение силы тока в обмотках, если текущее измеренное значение выходной мощности больше предшествующего измеренного значения выходной мощности, и уменьшение силы тока в обмотках, если текущее измеренное значение выходной мощности меньше предшествующего измеренного значения выходной мощности.

20. Способ генерирования мощности в термодинамическом цикле, включающем компрессор, первую турбину, расположенную после компрессора, теплообменник, расположенный после первой турбины, и работающий для извлечения тепла из цикла в другой термодинамический цикл, испаритель, расположенный после теплообменника, и вторую турбину, расположенную после испарителя и перед компрессором, в котором первая и вторая турбины включают ротор и, по меньшей мере, одно сопло для подачи текучей среды в ротор для приведения в действие ротора и генерирования мощности, включающий

обеспечение, по меньшей мере, одного средства прерывания потока для периодического прерывания потока текучей среды из, по меньшей мере, одного сопла и повышения давления текучей среды внутри, по меньшей мере, одного сопла до предварительно заданного минимального давления, которое меньше давления в средстве подачи текучей среды или равно ему, до возобновления потока текучей среды из указанного, по меньшей мере, одного сопла.

21. Способ генерирования мощности в термодинамическом цикле, включающем компрессор, конденсатор, расположенный после компрессора, первую турбину, расположенную после конденсатора, испаритель, расположенный после первой турбины, и вторую турбину, расположенную после испарителя и перед компрессором, в котором первая и вторая турбины включают ротор и, по меньшей мере, одно сопло для подачи текучей среды в ротор для приведения в действие ротора и генерирования мощности, включающий обеспечение, по меньшей мере, одного средства прерывания потока для периодического прерывания потока текучей среды из, по меньшей мере, одного сопла и повышения давления текучей среды внутри, по меньшей мере, одного сопла до предварительно избранного минимального давления, которое меньше давления в средстве подачи текучей среды или равно ему, до возобновления потока текучей среды из, по меньшей мере, одного сопла.

22. Способ по п.21, в котором предварительно заданное минимальное давление достаточно для достижения текучей средой локальной звуковой скорости в критическом сечении сопла.

23. Способ по п.22, включающий ускорение текучей среды, выходящей из, по меньшей мере, одного сопла, до сверхзвуковых скоростей.

24. Система управления для системы, содержащей термодинамический цикл, включающей компрессор, конденсатор, расположенный после компрессора, первую турбину, расположенную после конденсатора, испаритель, расположенный после первой турбины, и вторую турбину, расположенную после испарителя и перед компрессором, включающая

чувствительное средство для измерения выходной мощности термодинамического цикла,

средство управления для компрессора, причем средство управления сообщается с чувствительным средством для приема, в качестве входных данных, измеренных значений выходной мощности термодинамического цикла и измеренных значений работы, потребляемой компрессором,

при этом средство управления обеспечивает вычисление измерения эффективности на основе входных данных и изменение скорости компрессора для максимизации измерения эффективности или для поддержания измерения эффективности на заданном уровне.

25. Система управления по п.24, дополнительно включающая второе средство управления для второй турбины и чувствительное средство для измерения температуры контролируемой области, в которой второе средство управления принимает, в качестве дополнительных входных данных, измеренные значения температуры контролируемой области и обеспечивает открывание или закрывание прохода для потока текучей среды через вторую турбину, реагируя на обнаруженные изменения температуры в контролируемой области относительно заданного значения.

26. Система управления по п.24, в которой второе средство управления дополнительно принимает, в качестве входных данных, измеренные значения, отображающие количество хладагента в цикле, который испарился после фазы испарения в цикле, и обеспечивает открывание или закрывание прохода для потока текучей среды через вторую турбину для поддержания количества испаренного хладагента после фазы испарения.

27. Система управления по п.24, в которой осуществляется работа второго средства управления для поддержания количества испаренного хладагента после фазы испарения, после заданной задержки, после открывания или закрывания средством управления прохода для текучей среды через вторую турбину, как реакции на обнаруженные изменения температуры.

28. Система управления по п.24, включающая третье средство управления для конденсатора в термодинамическом цикле, причем система управления обеспечивает изменение работы конденсатора для поддержания требуемого уровня охлаждения хладагента конденсатором.

29. Система управления по п.28, в которой первое средство управления, второе средство управления и третье средство управления являются одним микроконтроллером, или микропроцессором, или множеством микроконтроллеров или микропроцессоров, причем, по меньшей мере, выбранные микроконтроллеры или микропроцессоры сообщаются друг с другом для обеспечения хронирования функций системы управления.

30. Система управления для системы, содержащей термодинамический цикл, включающей компрессор, конденсатор, расположенный после компрессора, первую турбину, расположенную после конденсатора, испаритель, расположенный после первой турбины, и вторую турбину, расположенную после испарителя и перед компрессором, в которой, по меньшей мере, одна первая и вторая турбины включают ротор, имеющий две или более разнесенных друг от друга обмотки ротора, и статор, имеющий множество обмоток статора вокруг ротора, причем по меньшей мере, две обмотки статора соединены с регулируемым источником тока, а каждый регулируемый источник тока обеспечивает возбуждение обмоток статора, с которыми он соединен, включающая

чувствительное средство для измерения выходной мощности термодинамического цикла,

средство управления для компрессора, причем средство управления сообщается с чувствительным средством для приема, в качестве входных данных, измеренных значений выходной мощности термодинамического цикла и измеренных значений работы, потребляемой компрессором,

при этом средство управления обеспечивает вычисление измерения эффективности на основе входных данных и изменение скорости компрессора для максимизации измерения эффективности или для поддержания измерения эффективности на заданном уровне, причем система управления обеспечивает регулирование постоянного тока, проходящего в обмотках статора турбины.

31. Система управления по п.30, которая обеспечивает регулирование постоянного тока, проходящего в обмотках статора, для динамического поддержания баланса, турбины под нагрузкой.

Приоритет по пп.2 и 3 формулы изобретения установлен 30.09.2002 по дате подачи заявки 521717, а приоритет по пп.20 и 21 формулы изобретения установлен 17.02.2003 по дате подачи заявки 524220 в патентное ведомство Новой Зеландии, остальные пункты формулы изобретения имеют приоритет 05.09.2003 по дате подачи заявки PCT/AU 03/01144.