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微型制冷的方法与装置

阅读:341发布:2020-05-13

专利汇可以提供微型制冷的方法与装置专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 描述一种体积小到足以装入 电子 器件外罩和便携式设备的集成自持微型 制冷设备 ,该微型制冷设备采用在封闭回路中循环于 蒸发 器 、 压缩机 、 冷凝器 和 涡轮 膨胀器之间的 工作 流体 ,本发明的 权利要求 包括两项配置:一项是压缩机和 涡轮机 分别在独立的机轴上运行,另一项是涡轮机和压缩机均在 电动机 机轴上运行。,下面是微型制冷的方法与装置专利的具体信息内容。

1.一种采用蒸汽压缩循环的微型制冷装置,其特征在于:包括:
(a)一种使用于跨临界循环中的对环境无害的天然工作流体
(b)一种对工作流体进行压缩的压缩机装置;
(c)把热能从工作流体转移到外界环境的至少一台排热热交换器
(d)把热能从目标器件转移到工作流体的至少一台含有微通道的吸热 热交换器;
(e)对工作流体进行膨胀的节流装置;
(f)在跨临界循环中连接上述压缩机、上述热交换器和上述节流装置的 闭合回路;
(g)组件(a)至(e)置于单一的容器中;
(h)上述容器与上述目标器件接触
2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于:其中对环境无害的天然工作流 体为从二和天然这一组物质中选出的至少一种物质。
3.根据权利要求1所述的装置,其特征在于:其中压缩机为往复式。
4.根据权利要求1所述的装置,其特征在于:其中压缩机为离心式。
5.根据权利要求1所述的装置,其特征在于:其中压缩机为电压
6.根据权利要求1所述的装置,其特征在于:其中至少一台热交换器为微通 道式。
7.根据权利要求6所述的装置,其特征在于:其中上述微通道剖面的几何形 状为椭园形。
8.根据权利要求6所述的装置,其特征在于:其中上述微通道具有多边形的 剖面几何形状。
9.根据权利要求1所述的装置,其特征在于:其中上述节流装置包括在排热 热交换器和吸热热交换器之间。
10.根据权利要求9所述的装置,其特征在于:其中上述节流装置为涡轮机。
11.根据权利要求10所述的装置,其特征在于:其中涡轮机为脉冲式。
12.根据权利要求10所述的装置,其特征在于:其中涡轮机为反击式。
13.根据权利要求10所述的装置,其特征在于:其中上述涡轮机产生有用功。
14.根据权利要求13所述的装置,其特征在于:其中上述涡轮机就能源度 而言与压缩机耦合,以回收能量
15.根据权利要求1所述的装置,其特征在于:其中的对环境无害的天然工作 流体无油。
16.根据权利要求1所述的装置,其特征在于:其中上述装置的能耗为100 瓦或100瓦以下时,上述容器不超过10厘米3/瓦的微型制冷。
17.根据权利要求1所述的装置,其特征在于:其中增加一台或多台中间冷却 器,以便当流体从吸热热交换器流向压缩机时把有用功从排热热交换器转 移到节流装置。
18.根据权利要求1所述的装置,其特征在于:其中增加一台或多台位于压缩 机之前的分离器,以分离气体和液体。
19.根据权利要求1所述的装置,其特征在于:其中增加一台位于排热热交换 器和吸热热交换器之间的节流用喷射器。
20.根据权利要求1所述的装置,其特征在于:其中压缩装置、节流装置或两 者的组合由调节装置进行调节。
21.根据权利要求1所述的装置,其特征在于:其中传感器监测和控制温度以 及与温度有关的现象。
22.根据权利要求1所述的装置,其特征在于:其中装置从目标器件的公共动 网获取动力。
23.根据权利要求1所述的装置,其特征在于:其中装置从独立动力源获取动 力。
24.根据权利要求1所述的装置,其特征在于:其中采取绝热措施,防止装置 外部出现凝结水。
25.根据权利要求1所述的装置,其特征在于:其中采取绝热措施,防止目标 器件外部出现凝结水。
26.根据权利要求1所述的装置,其特征在于:其中一台或多台上述吸热热交 换器为外部装置。
27.根据权利要求1所述的装置,其特征在于:其中一台或多台上述排热热交 换器为外部装置。
28.根据权利要求26所述的装置,其特征在于:其中上述吸热热交换器将热 能从目标器件转移到工作流体上。
29.根据权利要求26所述的装置,其特征在于:其中上述吸热热交换器包括 在闭合回路中。
30.根据权利要求26所述的装置,其特征在于:其中上述吸热热交换器插入 在目标器件组件集成外罩之内。
31.根据权利要求26所述的装置,其特征在于:其中上述吸热热交换器与目 标器件的组件接触。
32.根据权利要求26所述的装置,其特征在于:其中上述吸热热交换器直接 接触目标器件的组件。
33.根据权利要求27所述的装置,其特征在于:其中上述排热热交换器包括 在闭合回路中。
34.目标器件微型制冷的一种方法,其特征在于:该种方法采用蒸汽压缩循环, 包括:
(a)获取对环境无害的天然工作流体;
(b)用压缩机压缩上述工作流体;
(c)通过至少一台排热热交换器将热能从工作流体转移到外界环境之 中;
(d)用膨胀装置膨胀上述工作流体;
(e)通过至少一台含有微通道的吸热热交换器将热能从目标器件转移 到工作流体之中;
(f)在闭合回路中连接吸热热交换器、排热热交换器、压缩机和膨胀装 置;
(g)通过包括超临界高压状态和亚临界低压状态的循环在闭合回路中 循环上述工作流体;
(h)对外界环境制冷。
35.根据权利要求34所述的方法,其特征在于:其中对环境无害的天然工作 流体为从二氧化碳、水和天然烃这一组物质中选出的至少一种物质。
36.根据权利要求34所述的方法,其特征在于:其中目标器件为选自电气、 电子、光学或便携等器件中具有至少一个集成电路和内嵌控制装置的器 件。
37.根据权利要求34所述的方法,其特征在于:其中上述工作流体的压缩由 压缩机完成。
38.根据权利要求34所述的方法,其特征在于:其中上述工作流体的膨胀由 涡轮机完成。
39.根据权利要求37所述的方法,其特征在于:其中压缩机为往复式。
40.根据权利要求37所述的方法,其特征在于:其中压缩机为离心式。
41.根据权利要求38所述的方法,其特征在于:其中涡轮机为脉冲式。
42.根据权利要求38所述的方法,其特征在于:其中上述涡轮机为反击式。
43.根据权利要求38所述的方法,其特征在于:其中涡轮机产生有用功。
44.根据权利要求43所述的方法,其特征在于:其中上述涡轮机就能源角度 而言与压缩机耦合,以回收能量。
45.根据权利要求34所述的方法,其特征在于:其中上述工作流体以等熵方 式膨胀。
46.根据权利要求34所述的方法,其特征在于:其中采用一台或多台中间冷 却器,当流体从吸热热交换器流向压缩机时将有用热能从排热热交换器转 移到节流装置。
47.根据权利要求34所述的方法,其特征在于:其中位于压缩机前的一台或 多台分离器分离气体与液体。
48.根据权利要求34所述的方法,其特征在于:其中中间冷却器和分离器同 时兼用,以便把有用功从高压侧转移到低压侧,并分离气体与液体。
49.根据权利要求34所述的方法,其特征在于:其中上述工作流体无油。

说明书全文

技术领域

发明所讨论的是在蒸汽压缩热学循环中采用超临界液体进行制冷的装置与方法, 更具体地说,讨论进行此种循环所需要的小型设备,其典型应用包括电气、电子、光学与 便携器件的制冷。

背景技术

小型制冷机,又称微型制冷机,正在被广泛研制,以便用于计算机、服务器、电讯交 换装置、许多其它类型电子设备,以及便携式冷冻箱、医疗设备和其它许多虽然并非便携 式器件,但体积设计小巧玲珑的设备之中。直到不久前,此类设备通常使用电扇以及非机 械散热装置等简单装置进行冷却。由于对此类器件的性能要求越来越高,体积则要求越来 越小,导致对此类器件的散热要求日益提高,使传统形式的冷却在许多情况下不能防止器 件过热,从而导致器件故障。此外,许多器件设计人员的目标不仅仅是防止器件过热,而 且还想通过降温提高产品性能。例如,如果温度降低到足够的程度,电子设备的运行速度 就会加快。因此,目前不仅存在着要求小型设备能将器件冷却到符合安全运行所需的温度, 而且还存在着对器件进一步制冷,使其达到能提高其性能所需温度的需要。
人们投入了不少精力,研究以强制鼓方式改进电子部件降温的方法。由于空间与成 本方面的考虑使能使用的风扇尺寸受到限制,人们把更多的注意力转到了散热装置之上, 因为散热装置以传导方式带走产热组件的温度,而风扇则通过强制对流达到此项目的。Lee (美国专利第5,653,285)提供了这方面的一个最新实例,其中的散热片的设计构思提供 了最大的热交换效率。另一种普遍采用的改进散热装置效率的方法是将其制作为一个称为 珀尔帖冷却器的热电制冷装置,它使散热片与热源连接处的温度大大低于热源的温度。珀 尔帖热电冷却器的缺点是要求输入的功率大于能耗散的功率,因此是效率甚低的微型制冷 手段。
散热片配置的例子还有许多。最近公布的一些发明在散热装置中使用了一种冷却液。 Miller等人(美国专利第6,400,012号)描述了一种有冷却剂循环通道的散热装置,该项 配置的设计是为了降低产热器件与散热装置内部的冷却介质之间的热阻。但该项专利并未 提供具体的冷却介质。Cole等人(美国专利第6,478,725号)进一步拓展了这一概念,提 供了让冷却剂在密封容器内与产热器件直接接触的手段,该项手段为雾化式喷注,喷注后 随之凝结,并从容器中吸出,循环到另一器件中冷却,然后返回密封室重复此项循环。此 种冷却剂与微晶片过于接近的配置从长远看有可能会使微晶片失灵。
在更通常的情况下,人们把注意力更多集中于在Miller等人研制的小型热交换器中进 行间接冷却。Vafai等人(美国专利第6,457,515号)描述了一种双层微通道结构。冷却 液以分布方式通过远方的热交换器和其他设备进行循环。在该种分布系统中,系统组件彼 此独立,并不封闭于同一容器之中。Konstad(美国专利第6,407,916号)描述了体积更为 紧凑的分布式散热手段,采用散热管散热器与气冷式热交换器之间来回传送冷却剂。
与冷却相比,制冷增加了设计的复杂性,尤其是在要求将制冷循环的所有部件置于同 一容器中时更是如此。Davidson等人(美国专利第6,497,110)展示了如何在一个将电子 组件与周围器件完全分离的装置中实现此项要求,其部份目的是为了防止上述周围器件上 出现汽凝结。其一项缺点是该项发明的首选版本不鼓励与电子组件之间的来回传递信号 的线路连接,而代之以光学连接手段。
目前的制冷电子设备系统体积庞大,可以导致电子设备总体体积的增加。Porter(美 国专利第5,574,627号)、Wall等人(美国专利第6,054,676号)和Eriksen等人(WO 0125881 A2)展示了此类系统的实例。在今天的环境中,摆在我们面前的挑战是将此种制冷系统微 型化,将其纳入现有电器(包括手提电脑)的结构体系之中。
为求体积紧凑、效率良好,具有内工作流体循环的微型制冷器件的工作流体从热力学 度看必须效率卓著。热力学效率卓著的工作流体传热轻松,所需功率微乎其微。为安全 起见,工作流体也必须无任何毒性,对环境无害。此类性能要求导致我们考虑采用超临界 二作为工作流体。
在传统的蒸汽压缩式制冷循环中,热能由处于蒸发状态的液体以恒温方式吸收,然后 在亚临界压力冷凝器中释放蒸发热以及压缩过程所增加的工作能之前,将蒸汽在高压下压 缩,最后通过膨胀器解除压缩,返回到蒸发器中吸收热能,重新开始循环。此种循环的另 一方案是在足够高的压力下将液体压缩到超临界状态,使其在向冷却介质释放热能时保持 其超临界状态。在制冷中,冷却介质通常是空气,但也可以是另一种液体,例如海水。然 后,随着工作流体的膨胀,回到亚临界状态并凝结,随后返回到蒸发器中重新吸收热能。 此类循环称为跨临界循环。
在整个蒸汽压缩式制冷的历史中,亚临界循环始终是一项规范。此类循环所使用的含 氯氟甲烷(CFC)工作流体从二十世纪三十年代开始风行一时。当时此类液体被认为是无毒 和安全的。但到了二十世纪七十年代初期,人们认识到了含氯氟甲烷(CFC)对环境的危害, 特别是对大气臭氧层的破坏。这使得人们对二氧化碳重新发生兴趣;二氧化碳既可以在全 部亚临界循环中运作,也可运行于跨临界循环中,以提高效率。

发明内容

本发明的目的是改进小规模制冷器件的设计与运行,提高其工作效率,以便在特定体 积下提供足够的冷却能力,并使此种制冷器件的体积缩小到能安装在电子器件或其他小型 电器设备的外罩之内,或者作为其外罩的一部份。
本发明的另一个目的是将制冷器件组装成为整体装置,以便将其纳入电子器件或者其 它小型电器之中。
本发明的再一个目的是从驱动电子器件或其它小型电器的公用市电获取运转制冷器件 所需的动力,除制冷过程中所耗散的动力外,不需要更多的动力。
本发明的还有一个目的是提供足以延长电子组件运转寿命,或者提高上述组件运转速 度的制冷能力,使其超过传统非制冷手段所能期望的性能。
本发明的再有一个目的是应用无毒性、对环境无害的工作流体来实现上述各项目标。
本发明所讨论的是采用蒸汽压缩循环的微型制冷装置,该装置包括:
(a)在跨临界循环中使用天然的、对环境无害的工作流体;
(b)压缩工作流体的压缩手段;
(c)至少一台将热能从工作流体转移到外界环境之中的热交换器;
(d)至少一台将热能从目标器件转移到工作流体中的热交换器;
(e)工作流体膨胀用的节流装置;
(f)连接上述压缩机、上述热交换器和上述节流手段,使工作流体在跨临界循环中循环 的的闭合回路;
(g)上述组件(a)至(e)置于同一个容器之内;
(h)上述容器与上述目标器件相接触
本发明还讨论在上述装置中,天然的、对环境无害的工作流体是从二氧化碳、水和天然 等物质组合中选取的至少一种物质。
在上述装置中,压缩机为往复式或者离心式,在低压下运转。至少一台热交换器为微 通道式。此外,上述装置的微通道的剖面可以是椭圆形,或者是多边形。
上述装置中采用的涡轮机置于两个热交换器之间,既可以是脉冲式涡轮机,也可以是 反击式涡轮机。涡轮机在两台热交换器之间进行节流,在节流过程中产生有用功。上述涡 轮机在能源方面可与压缩机耦合,以回收能量
上述装置带节流循环运转时,能增强冷却能力,提高能效率。
上述装置的其它方面包括以无油的天然的、对环境无害的工作流体运行。耗电在100 瓦或以下的上述容器体积不超过10厘米3/瓦。装置还可包括:一个或多个将有用功从高压 侧转移到低压侧的中间冷却器;一个或多个将气体与液体分离的分离器;一个节流用的喷 射器,该喷射器置于热交换器之间。上述中间冷却器、分离器和喷射器可以提高循环的效 率。
在上述装置中,压缩手段、节流控制手段、电动机或者其组合均由调节手段进行调节。 传感器监测与控制温度以及与温度相关的现象。装置从目标器件的公共动力网获取动力, 或者也可从独立的动力源获取电力。绝热可以防止装置外罩出现凝结水,亦可防止目标器 件外罩出现凝结水。
在上述装置中,一个或多个热交换器可以安装在外部。上述热交换器将热能从目标器 件转移到工作流体中,热交换器包括在闭合回路之中。安装在外部的热交换器可以插装在 目标器件组件集合之中,与目标器件的组件接触,包括与目标器件的组件直接接触。
一种采用蒸汽压缩循环的微型制冷方法,包括:
a.取得天然的、对环境无害的工作流体;
b.压缩上述工作流体;
c.通过一台或者多台热交换器将热能从工作流体转移到外界环境之中;
d.对上述工作流体进行膨胀;
e.通过一台或多台热交换器将热能从另一个外界环境转移到工作流体之中;
f.将上述组件连接在一个闭合回路之中;
g.通过包括超临界高压和亚临界低压状态的循环在上述回路中循环上述制冷剂;
h.对外界环境(e)制冷。
其中微型制冷方法之所以能够得以实现,是因为按照本发明装置的性能特点采用了上 述装置。
附图说明
以下是本发明的详细描述,描述中参照了以下插图:
图一为本发明的跨临界蒸汽压缩循环的示意图
图二为具有不耦合于压缩机之上的涡轮膨胀装置的集成微型制冷器的剖面图
图三为图二所示压缩机之一的细部图
图四为图二所示微型制冷器侧面的细部图,显示在中央轴线附近排成阵列的三台压缩机
图五为图二的侧面细部,显示相对于电动机的涡轮机定向
图六为涡轮膨胀装置与压缩机耦合的集成微型制冷器的剖面图

具体实施方式

定义
“离心型”指
具有产生离心力的转动部件
“压缩冲程”指
压缩机机械部件运动的长度或者行程
“压缩机”指
用机械、电力、磁力或者以上方式的组合一步或分级对液体增压的装置
“冷凝器”指
将热能从工作流体转移到外界环境中的装置
“能耦合”指
将能量从一个元件转移到另一个元件
“蒸发”指
从外界环境向闭合回路加热的过程
“最终压缩容积”指
工作流体压缩之后所占的起始容积部份
“脉冲型”指
一组叶片安装在转子之上,由喷嘴向叶片喷出液体使转子转动的涡轮机
“中间冷却器”指
在循环内部的两个元件之间进行热交换,需要冷却的元件将热能传送到需要加热的元件上
“等熵膨胀”指
将液体膨胀到较低压力,同时尽量保持熵值恒定
电压”指
不超过120伏的直流或交流电压
“微型”指
小到可以容纳在目标器件的外罩之内
“微通道”指
高度或直径小于2,000微米
“微型制冷”指
以微型设备进行制冷
“微型制冷机”指
除传感器、控制装置或电源接口外,容器内装有微型制冷循环所需全部组件的装置
“天然无油工作流体”指
在整个循环中完全不接触润滑油的、天然生成的工作流体
“反击型”指
包含一组安装在转子上的活动叶片和一组安装在定子上的固定叶片的涡轮机,两组叶片都 起将液体推向活动叶片的喷嘴作用,从而使转子转动
“往复型”指
具有产生定期压力波动的元件
“分离器”指
在闭合回路中将蒸汽与液体分离的装置
“亚临界”指
工作流体的压力和温度分别低于工作流体的临界压力和温度
“超临界”指
工作流体的压力和温度分别高于工作流体的临界压力和温度
“目标器件”指
至少包含一个产生热能的集成电路或内嵌控制装置的电气、电子、光学或便携电器,包括: 计算机、服务器、电讯交换装置、许多其它类型电子设备,以及便携式冷冻箱、医疗设备 和其它许多虽非便携式器件,但体积小巧玲珑的器件
“跨临界循环”指
包括制冷剂的超临界状态和亚临界状态的循环
“有用热能”指
能降低外来能源需求的热能
“工作流体”指
经受蒸汽压缩的材料又称工作流体
实现本发明目的的方法为:令所制作的设备能在闭合回路中循环工作流体,以叶轮对上 述工作流体进行压缩,使其压缩到超临界状态,在保持上述超临界状态的同时令其通过热 交换器,将废热排放到外界介质,例如空气或水中,随后令工作流体膨胀,返回到压缩之 前的亚临界压力,对工作流体冷凝,将其温度降低到适合于在蒸发器中再次吸热所需的温 度。完成此项任务所需的设备集成于,或者包括在器件的外罩之内,或者是其一部份。
上述设备的组件包括:(1)有微通道传递工作流体的热交换器,该热交换器位置应十 分接近,乃至最好直接接触所要冷却的产热器件;(2)一台迫使工作流体进入超临界状态, 并推动工作流体完成穿越全部组件闭合循环的压缩机;(3)令工作流体与周围流体(最典 型的是空气或水)进行热交换,释放出工作流体中热能的热交换器;(4)一个令工作流体 回到亚临界状态的膨胀装置,上述膨胀装置可以是任何节流阀、涡轮机或者喷嘴;(5)在 上述组件之间传送工作流体的一种或者多种手段。上述组件集成为单一的封闭式成套器件, 其外侧仅留出连接控制装置和电源的导线
在集成组件中循环的工作流体没有毒性,对环境无害。在本发明的一项优先选择中, 工作流体为二氧化碳。在本发明的另一项优先选择中,组件的制作与组装允许我们在跨临 界循环中采用二氧化碳作为工作流体。
本发明提供了制冷技术的新方法与新装置。本发明的制冷方法讨论的是蒸汽压缩循环 及其装置。系统至少包括一台压缩机、两台或多台热交换器、一台电动机和一个用于节流 和控制的组件,上述所有装置全部连接于闭合回路之中,并集成为单一的微型成套器件。 该项装置目的是提供对目标器件进行冷却的手段,目标器件包括,但不限于电气和电子器 件,最好是微型器件,以及至少包含一个产生热能的集成电路或内嵌控制装置的其它器件 或组件。目标器件的例子包括大多数采用集成电路的器件,如各种类型的计算机、计算机 组件、分析与实验室设备、激光设备、遥感设备、射频器件和微波器件。
微型制冷装置利用了非毒性、对环境无害的工作流体的优越性,此种工作流体能缩小 上述组件的尺寸以及上述装置的总体积。工作流体最好是二氧化碳、水、空气或一种烃类。 可以纳入一种涡轮机或者其它形式的节流装置,以提高冷却能力和能效率。
图一所示为微型制冷系统1的组件。系统1的尺寸为:整个集成的成套器件不超过每 瓦所需耗散热能10厘米3的所需体积,所需消耗的电力不超过100瓦,通过闭合通道6循 环的工作流体送出吸热装置,进入由电动机4驱动,并从耦合器11获得辅助动力的低压压 缩机3的吸入口,虽然采用上述耦合器并非本发明的一项要求。随后工作流体以与标准循 环相似的方式循环,通过放热器5。工作流体离开放热器后进入涡轮机10,在涡轮机中膨 胀到吸热器要求的低压。
图一所示组件全部连接在对工作流体进行再循环的闭合回路之中。在正常工作状况下, 既不添加也不从系统中抽出工作流体。本发明的闭合回路在组件之间和整个系统中传递工 作流体。在回路的不同位置,这些通道的形式可以是小口径管道、纤细管道、或者内建于 集成器件套管或者有效组件内部的通道,其中有些通道的形式为有盖的微型槽式通道,其 制作方法采用典型的微型机械加工工艺,例如蚀刻或者激光切割
图二所示为本发明用于对有集成电路的目标器件进行制冷的一项具体体现。该图显示 了细节,标注了各部份的名称,正如该图所示,该项装置包括往复式压缩机、冷凝和蒸发 用热交换器和涡轮机,上述组件置于闭合回路之中,所有组件都连接在一起。装置的所有 组件都置于封闭外罩之中,形成单一的集成器件。装置提供一种监测手段,包括对操作变 量、控制逻辑、变动操作变量的作动装置进行监测的传感器。该项装置的动力源可来自目 标器件的公共动力网,也可来自独立的动力源。
图二所示的微型制冷装置100安装于集成电路的外罩上,其配置恰好使整体冷却板101 十分接近而且最好直接接触集成电路板的外罩。装置的一部份和外罩的周围可加绝热材料。 系统的蒸发热交换器102面朝下面对目标器件的上述外罩,恰好配置在冷却板101的上方, 在其正上方或者与冷却板接触。在另一项优先考虑的实例体现中,冷却板和蒸发热交换器 设计为同一个东西。
蒸发器102的正上方是涡轮膨胀器103。根据本发明,涡轮机可以用于节流。节流手 段为蒸汽压缩循环中的工作流体性能控制提供了一项额外的参数。节流的典型方法是控制 孔径。器件中所体现的任何节流方法都将被纳入蒸汽压缩循环之中,其位置与标准循环的 孔径位置相同,该项位置在冷凝器104与涡轮机103之间。
图中所示的涡轮机103与压缩机并不耦合。相反,涡轮机转轴的配置与电动机轴线垂 直。涡轮机将工作流体立即导入蒸发器102。离开蒸发器之后,工作流体进入与压缩机入 口相连的通道122。此项通道在微型制冷机外罩120内部,以对角线方式横贯整个外罩体。
要实现节流,可对涡轮机轴施加刹车制动力(刹车在图二中并未显示)以控制在涡轮 机膨胀时的质量流量。在上述配置方向的涡轮机可以是脉冲式或者反击式设计。上述天然 工作流体和上述节流手段的结合可使工作流体的膨胀延伸,越过等膨胀,进入等熵膨胀 范畴。这种额外的膨胀使装置增强了冷却能力,提高了能效率。
电动机105配置时令其中心轴线与外罩的轴线一致。电动机轴106在电动机周围偏心 旋转,为压缩机头阵列108提供往复运动。压缩机形成以外罩轴线为中心的圆圈,在其中 偏心电动机轴与轴承109一起旋转。作为的活塞107往复运动的响应,压缩机隔膜110交 替地在活塞下行行程中吸入工作流体,而压缩机入口止回阀111则在活塞上行行程中关闭, 对工作流体进行压缩,并经由压缩机出口止回阀112将其送入冷凝器104。外座圈113则 包裹压缩机头总成。
从压缩机排出的工作流体经由出口座圈114进入冷凝器。冷凝器配置于接近风扇115 的位置,与外界介质间接进行热交换,该外界介质最好是空气,它以逆流方式通过冷凝器 芯。在此应该强调的是“冷凝器”这个术语只是一种口语的用语,在正常的作业状态下, 实际并不出现冷凝现象。相反,工作流体在通过冷凝器内部的全过程中始终保持超临界状 态。空气通过冷凝器后进入送风室116,然后经由外罩120表面的排风口排出。因此,冷 凝用热交换器面向上述集成器件的相反方向。风扇置于冷凝用热交换器的顶端,用以对闭 合回路进行散热。工作流体流到冷凝器出口117,立即进入涡轮机入口118,重新开始循环。 膨胀的工作流体流入蒸发器102,从冷却板吸热,然后从蒸发器出口119排出,进入压缩 机。为了绕过涡轮机和电动机,压缩机供料管线内建于外罩120内部,与电动机呈对角线 方向。
正如任何熟谙本项工艺的人所期望的那样,微型制冷机内建有各项控制手段,以保持 恰当的温度与压力。例如,冷凝器内部压力可通过调节涡轮机轴的制动力、或者通过调节 压缩机的转速或出口压力、或者兼用这些手段进行控制。蒸发器和冷凝器上的温度监测器 同时起到控制系统内压力和流动状况的作用。这些控制传感器和驱动装置并未在插图上显 示,但已经包含在设计之内。此外逻辑系统也可纳入目标器件的电子元件之内。
图三所示为压缩机头108的细部图。图中显示活塞107正处于向隔膜110运动的上行 行程。在上行行程中,入口止回阀111关闭,出口止回阀112开启,将工作流体压出出口 座圈114,进入冷凝器104。在下行行程中,入口止回阀111开启,出口止回阀112关闭, 工作流体被吸入压缩机。
共有三台压缩机排列为圆形,如图四所示。偏心电动机轴106旋转时,按顺序推动压 缩机活塞。工作流体被推至出口座圈114,它是环绕微型制冷机圆周的连续座圈。工作流 体从出口座圈进入冷凝器104。
图五所示为轴向排列的主要组件的侧视图,是图二至图四各图转向90°的视图。这一 视图着重强调涡轮机的取向,其轴线与电动机的轴线垂直。
图六所示为本发明的另一项体现,其中涡轮机通过电动机轴与压缩机耦合。这一版本 在此后将被称为耦合微型制冷机300。此项装置置于外罩301之内。外罩底面306在外侧 包括冷却板101,在其之内是蒸发器102。底盖302对侧面进行保护。顶面307有开口,露 出冷凝器104。工作流体经由外罩穿过系统的方式与以上所述非耦合系统相似:工作流体 从蒸发器出口进入压缩机,然后传送到冷凝器,从那里进入涡轮膨胀装置,然后该装置将 工作流体排放到蒸发器,从而完成整个循环。在耦合微型制冷机300中,压缩机108和涡 轮机的配置使其正面相对,电动机303则在两者之间。整套压缩机—电动机—涡轮机总成 由轴承304支承。轴封305防止工作流体在冷凝器或者蒸发器处出现短路绕行。在作业中, 涡轮轴处产生的有用功被用于补充电动机向压缩机输送的功率。
在另一项优先选择的体现中,除装置的单一集成器件内部的两台或多台热交换器之外, 外加了一台热交换器。上述热交换器安装于装置外部,但仍然与单一的装置集成器件内部 组件的回路连接。由管道将上述外部热交换器与装置集成器件内的组件连接,为工作流体 提供在上述热交换器和装置之间流动的手段。和图二所示的体现一样,装置的外罩附着在 目标器件的外罩上。装置和外罩的一部份周围还可以围绕绝热物。上述外部热交换器与目 标器件的外罩整合,或者插入目标器件的外罩中,最好与其接触,以便于蒸发。冷凝热交 换器背靠目标器件外罩,正面朝外。冷凝热交换器顶端使用一个风扇,对闭合回路进行散 热。
本发明的另一项优先选择的体现包括插入一个或者多个中间冷却器。中间冷却器在来 自冷凝器的工作流体和来自目标器件散热用热交换器的工作流体之间进行间接热交换。这 种交换对压缩机吸入侧的蒸汽加热,从而减轻了压缩机的负荷。
在本发明的还有一项优先选择体现中,热交换器之间安放了一个分离器,对气体和液 体进行分离。分离器帮助向压缩机和将热能从目标器件转移到工作流体的热交换器提供气 态工作流体,从而增加了液态工作流体的数量。
本发明的另一项优先选择体现包括一个喷射器。除用作节流手段外,喷射器在将热能 从目标器件转移到工作流体的热交换器的入口前方产生一个真空效应,从而提高了效率。
表一所示为采用本发明的各项体现后所获得的循环的性能系数(COP)改善情况的实例。 正如表一所示,中间冷却器或者涡轮机都能改善性能系数,但涡轮机改善性能系数的效率 尤为突出。
例一:在用涡轮机代替节流阀,但不加中间冷却器的运行循环中,蒸发器保持恒温5℃ 时,性能系数从2.12上升到2.93,提高28%,
例二使用涡轮机但不用中间冷却器的运行循环如允许蒸发器入口(或者涡轮机出口) 的温度从5℃提高到25℃时,性能系数可以提高两倍以上,从2.93上升到6.15。
表一:不同循环类型的制冷性能表现
循环类型        蒸发器      冷凝器出口    性能系    数     ℃   巴     ℃   巴 止回阀 中间冷却器加止回阀 涡轮机代替止回阀,无中间冷却器 涡轮机代替止回阀,无中间冷却器 涡轮机代替止回阀,无中间冷却器 涡轮机代替止回阀,无中间冷却器 涡轮机代替止回阀,无中间冷却器     5     5     5     30     25     18     25   39   39   39   71   63.5   53.9   63.5     40     40     40     50     50     40     40   98.6   98.6   98.6   103.6   98.6   98.6   98.6     2.12     2.26     2.93     1.04     2.07     4.56     6.15
表二:插图注释
1   循环组件
2   吸热器
3   压缩机
4   电动机
5   散热器
6   工作流体
7   外界流体
10  涡轮机
11  耦合轴(选用件)
100 微型制冷机
101 冷却板
102 蒸发器
103 涡轮机
104 冷凝器
105 电动机
106 偏心轴
107 活塞
108 压缩机头
109 轴承
110 隔膜
111 入口止回阀
112 出口止回阀
113 外座圈
114 出口座圈
115 风扇
116 冷凝器送风室
117 冷凝器出口
118 涡轮机入口
119 蒸发器出口
120 外罩,或外壳
121 压缩机插件
122 压缩机入口
200 内机体
300 耦合微型制冷机
301 耦合外罩
302 耦合端盖
303 耦合电动机
304 耦合轴承,单轴
305 耦合轴封
306 外罩底面
307 冷却板
引用文献
美国专利文献
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6,497,110    1/24/2002  Davidson et       62/259.2
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6,498,725    1/24/2003  Cole et al.       36.1/700
6,502,419    1/7/2003   Plister et al.    62/497
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