传热系统用于从一处(热源)向另一处(吸热源)传输热量。传 热系统能够用于地球或宇宙用途。例如，传热系统可以集成于人造卫 星设备中，该人造卫星在失重或低重力环境中工作。作为另一实例， 传热系统能够用于电子设备中，该电子设备在操作过程中通常需要冷 却。
环路热管(LHP)和毛细作用泵送环路(CPL)是被动两相传热 系统。它们各包括：蒸发器，该蒸发器与热源热连接；冷凝器，该冷 凝器与吸热源热连接；流体，该流体在蒸发器和冷凝器之间流动；以 及用于流体膨胀的流体储罐。在传热系统中的流体可以称为工作流体。 蒸发器包括第一吸液芯和包括流体流动通道的芯。蒸发器获得的热量 传送给冷凝器并由该冷凝器排出。这些系统利用在蒸发器中的细孔吸 液芯中形成的毛细作用压力来促进工作流体从蒸发器至冷凝器和返回 蒸发器的循环。在LHP和CPL之间的主要区别特征是环路储罐的位 置，该环路储罐用于储存在操作过程中从环路中排出的过多流体。通 常，CPL的储罐的位置远离蒸发器，而LHP的储罐与蒸发器联合定 位。
发明内容
本发明提供了一种用于利用热力学循环而工作的循环换热系统的 传热系统，该传热系统包括：蒸发器，该蒸发器包括用于与循环换热 系统的一部分连接的壁以及与该壁连接的第一吸液芯；以及冷凝器， 该冷凝器与所述蒸发器连接，以便形成容纳工作流体的封闭环路。
本发明还提供了一种热力学系统，包括：利用热力学循环而工作 的循环换热系统；以及传热系统，该传热系统与循环换热系统连接， 以便冷却循环换热系统的一部分，该传热系统包括：蒸发器，该蒸发 器包括用于与循环换热系统的一部分连接的一壁以及与该壁连接的第 一吸液芯；以及冷凝器，该冷凝器与所述蒸发器连接，以便形成容纳 工作流体的封闭环路。
本发明还提供了一种用于控制循环换热系统的一区域的温度的方 法，这种方法包括：将蒸发器的壁连接至循环换热系统以便冷却循环 换热系统的一部分；将冷凝器连接至蒸发器以便形成一封闭环路，用 于容纳工作流体并用于从循环换热系统的所述部分传热。
实施方式可以包括一个或多个以下方面。例如，冷凝器包括蒸气 进口和液体出口，传热系统包括在蒸气出口和蒸气进口之间提供流体 连通的蒸气管路以及在液体出口和液体进口之间提供流体连通的液体 返回管路。
蒸发器包括：液体隔板壁，该液体隔板壁在它的内侧容纳工作流 体，该工作流体只沿液体隔板壁的内侧流动，其中，第一吸液芯位于 加热壁和液体隔板壁的内侧之间；蒸气去除槽道，该蒸气去除槽道位 于第一吸液芯和加热壁之间的交界面处，蒸气去除槽道延伸至蒸气出 口；以及液体流动槽道，该液体流动槽道位于液体隔板壁和第一吸液 芯之间，液体流动槽道接收来自液体进口的液体。
工作流体被动地通过传热系统运动。
工作流体在不使用外部泵送的情况下通过传热系统运动。
当工作流体经过一个或多个蒸发器、冷凝器、蒸气管路和液体返 回管路或者在所述一个或多个蒸发器、冷凝器、蒸气管路和液体返回 管路内流通时，在传热系统内的工作流体在液体和蒸气之间变化。
工作流体被动地通过传热系统运动。
工作流体利用吸液芯而通过传热系统运动。
传热系统还包括翅片，该翅片与冷凝器热连接，以便向外界环境 放热。
在另一总体方面，热力学系统包括循环换热系统和传热系统，该 传热系统与循环换热系统连接，以便冷却循环换热系统的一部分。传 热系统包括：蒸发器，该蒸发器包括设置成与循环换热系统的一部分 连接的壁以及与壁连接的第一吸液芯；以及冷凝器，该冷凝器与蒸发 器连接，以便形成容纳工作流体的封闭环路。
实施方式可以包括一个或多个以下特征。蒸发器与循环换热系统 成一体。蒸发器与循环换热系统的部分热连接。循环换热系统包括斯 特林(stirling)换热系统。循环换热系统包括制冷系统。传热系统与 循环换热系统的热侧连接。热力学系统传热系统与循环换热系统的冷 侧连接。
在另一总体方面，一种利用上述系统的方法。
蒸发器可以在用于陆地或宇宙用途的任意两相传热系统中使用。 例如，传热系统能够用于电子设备(该电子设备通常需要在工作过程 中冷却)或者用于激光二极管用途。
平面形蒸发器可以用于当热源形成为平面形表面时的任意传热系 统。环形蒸发器可以用于当热源形成为柱形表面时的任意传热系统。
当用于陆地用途时，使用环形蒸发器的传热系统可以利用重力， 从而使得LHP适用于大量制造。陆地用途通常指定受热表面和吸热源 的方位；环形蒸发器利用重力工作。
传热系统提供了用于冷却循环换热系统的热高效和空间高效的系 统，因为传热系统的蒸发器与由传热系统冷却的循环换热系统的一部 分进行热连接和空间连接。例如，当要冷却的部分(也称为热源)具 有柱形几何形状时，传热系统可以包括环形蒸发器。使用传热系统使 得能够利用柱形循环换热系统，该循环换热系统能够用于舱室冷却的 商业实际应用。
使蒸发器或冷凝器与循环换热系统的热源集成在一起能够减小包 装尺寸。另一方面，当蒸发器或冷凝器夹在热源上时，便于部署和更 换部件。
传热系统可以用于冷却具有柱形几何形状的循环换热系统，例如 自由活塞斯特林循环。传热系统提供了与同样高效包装的环形冷凝器 组件连接的高效流体管路连接(一个蒸气相和过冷液体返回管路连接 器)。
传热系统包括冷凝器，该冷凝器作为扁平板冷凝器而高效包装， 该扁平板冷凝器形成环形部分，延伸的空气换热表面元件(例如波纹 形翅片体)安装在该环形部分上。
传热系统与高效传热机构(蒸发和冷凝)组合，以使得斯特林循 环的流体(氦)与最终的吸热源(环境空气)连接。因此，明显提高 了斯特林循环的效率(例如直到50％)。
传热系统的蒸发器和冷凝器可以独立设计和优化。这使得循环换 热系统有任意数目的安装选择。而且，传热系统对重力方向并不敏感， 因为吸液芯包含在蒸发器内。
传热系统以较小包装和商业上可接受的成本来提供对舱室(例如 制冷器或自动售货机)的高效冷却，
根据一个实施方式，环形蒸发器夹在循环换热系统上，并与导热 油脂化合物热连接，以便容易装配和维护。根据另一实施方式，环形 蒸发器压配合地安装在循环换热系统上，以便容易装配，同时提高热 效率。根据还一实施方式，环形蒸发器与循环换热系统形成一体，以 便进一步提高热效率。
传热系统包括冷凝器，该冷凝器有翅片形的内部和外部环形部分， 以便在较小包装空间内向空气高效传热。冷凝器可以辊轧粘接或通过 挤压加工而形成。
通过将LHP蒸发器的普通柱形几何形状改变成平面形“扁平板” 几何形状(能够缠绕成环行形状)，本发明的环路热管提供了对柱形制 冷器的高效包装。
将参考几个示例实施方式来介绍传热系统的包装，但是并不意味 着局限于这些示例实施方式。尽管所述用于冷却舱室(例如家用制冷 器、自动售货机或销售点的制冷装置)，但是本领域技术人员将认识到 紧凑、能量效率高和对环境友好的利用所述的传热系统的制冷装置的 多种其它有利用途。
由说明书和附图将清楚其它特征和优点。

图1是热传输系统的示意图。
图2是图1示意表示的热传输系统的实施方式的视图。
图3是利用热传输系统传输热量的步骤的流程图。
图4是表示在图3的处理流程中热传输系统的各个部件的温度分 布图。
图5A是在图1的热传输系统内所示的三孔主蒸发器的视图。
图5B是主蒸发器沿图5A的5B-5B的剖视图。
图6是能够集成于图1所示的热传输系统内的四孔主蒸发器的视 图。
图7是热传输系统的实施方式的示意图。
图8A、8B、9A和9B是使用热传输系统的应用的透视图。
图8C是流体管路沿图8A的8C-8C的剖视图。
图8D和9C分别是图8A和9A的热传输系统的实施方式的示意 图。
图10是平面蒸发器的剖视图；
图11是环形蒸发器的轴向剖视图。
图12是图11的环形蒸发器的径向剖视图。
图13是图12的环形蒸发器的径向剖视图中的一部分的放大图。
图14A是图11的环形蒸发器的透视图。
图14B是图14A的环形蒸发器的局部剖俯视图。
图14C是图14B的环形蒸发器的一部分的放大剖视图。
图14D是图14B的环形蒸发器沿线14D-14D的剖视图。
图14E和14F是图14D的环形蒸发器的一部分的放大图。
图14G是图14A的环形蒸发器的局部剖透视图。
图14H是图14G的环形蒸发器的局部剖透视详图。
图15A是形成图14A的环形蒸发器的壳体环部件的液体隔板壁的 平面详图。
图15B是图15A的液体隔板壁沿线15B-15B的剖视图。
图16A是图14A的环形蒸发器的第一吸液芯的透视图。
图16B是图16A的第一吸液芯的俯视图。
图16C是图16B的第一吸液芯沿线16C-16C的剖视图。
图16D是图16C的第一吸液芯的一部分的放大图。
图17A是形成图14A的环形蒸发器的环形环的加热壁的透视图。
图17B是图17A的加热壁的俯视图。
图17C是图17B的加热壁沿线17C-17C的剖视图。
图17D是图17C的加热壁的一部分的放大图。
图18A是使图17A的加热壁与图15A的液体隔板壁分开的环的 透视图。
图18B是图18A的环的俯视图。
图18C是图18B的环沿线18C-18C的剖视图。
图18D是图18C的环的一部分的放大图。
图19A是图14A的环形蒸发器的环的透视图。
图19B是图19A的环的俯视图。
图19C是图19B的环沿19C-19C的剖视图。
图19D是图19C的环的一部分的放大图。
图20是能够利用传热系统冷却的循环换热系统的透视图。
图21是循环换热系统(例如图20的循环换热系统)的剖视图。
图22是循环换热系统(例如图20的循环换热系统)的侧视图。
图23是包括循环换热系统和传热系统的循环换热系统第一实施 方式的示意图。
图24是包括循环换热系统和传热系统的循环换热系统第二实施 方式的示意图。
图25是使用根据图10-13的原理设计的蒸发器的传热系统的示 意图。
图26是图25的传热系统的功能分解图。
图27是用于图25的传热系统中的蒸发器的局部剖视详图。
图28是用于图25的传热系统中的换热器的透视图。
图29是循环换热系统的热源温度相对于在传热系统和循环换热 系统的热源之间的交界面的表面面积的曲线图。
图30是装在循环换热系统一部分周围的传热系统的俯视平面图。
图31是图30的装在该循环换热系统部分周围的传热系统的局部 剖正视图(沿线31-31)。
图32是在图30的传热系统和循环换热系统之间的交界面的局部 剖正视图(在3200处)。
图33是安装在循环换热系统上的传热系统的上部透视图。
图34是图33的安装在循环换热系统上的传热系统的下部透视图。
图35是在换热系统的蒸发器和循环换热系统之间的交界面的局 部剖视图，其中，蒸发器夹在循环换热系统上。
图36是用于将蒸发器夹在图35的循环换热系统上的夹子的侧视 图。
图37是在换热系统的蒸发器和循环换热系统之间的交界面的局 部剖视图，其中，交界面通过蒸发器和换热系统之间的压配合而形成。
图38是在换热系统的蒸发器和循环换热系统之间的交界面的局 部剖视图，其中，交界面通过使蒸发器与循环换热系统形成一体而形 成。
图39是传热系统的冷凝器的俯视图。
图40是图39的冷凝器沿线40-40的局部剖视图。
图41-43是具有层叠结构的冷凝器的剖视详图。
图44是具有挤压结构的冷凝器的剖视详图。
图45是具有挤压结构的冷凝器的透视详图和剖视图。
图46是装在循环换热系统周围的传热系统的一侧的剖视图。
在各附图中，相同参考标号表示相同元件。

如上所述，在环路热管(LHP)中，储罐与蒸发器联合定位，因 此，储罐通过热管状的导管而与蒸发器热连接和液压连接。这样，来 自储罐的液体能够泵送至蒸发器，从而保证蒸发器的第一吸液芯在起 动过程中充分润湿或“起动加注”。此外，LHP的设计还降低了在热传 输系统内的蒸发器的稳态或瞬态操作过程中液体从蒸发器的第一吸液 芯中的消耗。而且，蒸气和/或不可冷凝气体气泡(NCG气泡)通过 热管状导管而从蒸发器的芯排出至储罐。
普通LHP需要在起动之前(也就是在向LHP的蒸发器供能之前) 在储罐中存在液体。不过，当在起动LHP之前在LHP中的工作流体 处于超临界状态时，在起动之前在储罐中将没有液体。超临界状态是 当LHP的温度高于工作流体的临界温度时的状态。流体的临界温度是 当流体能够表现为液体-蒸气平衡时的最高温度。例如，当工作流体为 低温流体(也就是流体的沸点低于-150℃)时或者工作流体为低于环 境温度的流体(也就是流体的沸点低于LHP工作环境的温度)时， LHP可能处于超临界状态。
普通LHP也需要使得返回蒸发器的液体过冷，也就是冷却至低于 工作流体沸点的温度。这样的限制条件使得不能在低于环境温度的情 况下操作LHP。例如，当工作流体是低温流体时，LHP很可能在温 度高于流体沸点的环境中工作。
参考图1，热传输系统100设计成克服普通LHP的限制。热传输 系统100包括传热系统105和起动加注系统110。起动加注系统110 用于将传热系统105中的流体转变成液体，从而对传热系统105进行 起动加注。在本说明书中，术语“流体”是通用术语，它是指作为在饱 和平衡下的液体和蒸气的物质。
传热系统105包括主蒸发器115和冷凝器120，该冷凝器120通 过液体管路125和蒸气管路130而与主蒸发器115连接。冷凝器120 与吸热源165热连通，而主蒸发器115与热源Qin 116热连通。，系统 105还可以包括热储罐147，该热储罐147与蒸气管路130连接，用于 根据需要容纳附加压力。特别是，热储罐147增加了系统100的容积。 当工作流体的温度高于它的临界温度(也就是当工作流体能够表现出 液体-蒸气平衡时的最高温度)时，它的压力与系统100内的物质(装 料)成正比，与系统的容积成反比。通过热储罐147来增加容积将降 低充装压力。
主蒸发器115包括容器117，该容器117容纳第一吸液芯140，芯 135确定于该第一吸液芯140中。主蒸发器115包括卡口(bayonet) 管142和在芯135内的第二吸液芯145。卡口管142、第一吸液芯140 和第二吸液芯145确定了液体通道143、第一蒸气通道144和第二蒸 气通道146。第二吸液芯145提供了相控制，也就是在芯135中的液 体/蒸气分离，如美国专利申请No.09/896561(申请日为6/29/01)中 所述，该文献整个被本文参引。如图所示，主蒸发器115有三个孔： 进入液体通道143中的液体进口137、从第二蒸气通道146进入蒸气 管路130中的蒸气出口132、以及从液体通道143(以及可能的第一蒸 气通道144，如后面所述)出来的流体出口139。后面还将参考图5A 和5B而详细介绍三孔蒸发器的结构。
起动加注系统110包括与蒸气管路130连接的第二或起动加注蒸 发器150以及与该第二蒸发器150联合定位的储罐155。储罐155通 过第二流体管路160和第二冷凝器122而与主蒸发器115的芯135连 接。第二流体管路160与主蒸发器115的流体出口139连接。起动加 注系统110还包括与第二蒸发器150热连通的控制热源Qsp 151。
第二蒸发器150包括容器152，该容器152装有第一吸液芯190， 芯185确定于该第一吸液芯190中。第二蒸发器150包括卡口管153 以及穿过导管175从芯185伸入储罐155内的第二吸液芯180。第二 吸液芯180提供了在储罐155和第二蒸发器150之间的毛细作用连接。 卡口管153、第一吸液芯190和第二吸液芯180确定了与流体管路160 连接的液体通道182、与储罐155连接的第一蒸气通道181和与蒸气 管路130连接的第二蒸气通道183。储罐155通过液体通道182、第二 吸液芯180和第一蒸气通道181而与第二蒸发器150的芯185热连接 和液压连接。由第二蒸发器150的芯185产生的蒸气和/或NCG气泡 通过第一蒸气通道181而进入储罐155，而可冷凝液体通过第二吸液 芯180而从储罐155返回第二蒸发器150。第一吸液芯190使得芯185 内的液体与热源Qsp 151液压连接，从而当向第二蒸发器150加热时 使得第一吸液芯190的外表面上的液体能够蒸发和形成在第二蒸气通 道183内的蒸气。
储罐155冷偏移(cold-biased)，因此，它通过冷源来冷却，当未 加热时，该冷源将使它能够在低于传热系统105的工作温度的温度下 工作。在一个实施方式中，储罐155和第二冷凝器122与吸热源165 热连通，该吸热源165与冷凝器120热连通。例如，储罐155能够利 用并联器(shunt)170而安装在吸热源165上，该并联器170可以由 铝或任意导热材料制成。这样，储罐155的温度跟随冷凝器120的温 度。
图2表示了热传输系统100的实施方式的实例。在该实施方式中， 冷凝器120和122安装在低温冷却器200上，该低温冷却器200作为 制冷器而从冷凝器120、122向吸热源165传热。另外，在图2的实施 方式中，管路125、130、160进行缠绕，以便减小热传输系统100所 需的空间。
尽管图1和2中未示出，但是元件(例如储罐155和主蒸发器115) 可以装备有温度传感器，该温度传感器可以用于诊断或测试目的。
还参考图3，系统100执行用于从热源Qin 116传输热量以及用于 保证主蒸发器115在起动之前由液体润湿的程序300。当传热系统105 处于超临界状态时，程序300特别有用。在开始程序300之前，系统 100充装有特定压力(称为“充装压力”)的工作流体。
首先，储罐155通过例如将该储罐155安装在吸热源165上而变 得冷偏移(步骤305)。储罐155可以冷偏移至温度低于工作流体的临 界温度，如前所述，该临界温度是工作流体能够表现为液体-蒸气平衡 的最高温度。例如，当流体是乙烷时，它的临界温度为33℃，储罐155 冷却至低于33℃。当储罐155的温度降低至低于工作流体的临界温度 时，储罐155局部充满由工作流体形成的液体冷凝物。在储罐155中 形成液体将润湿第二蒸发器150的第二吸液芯180和第一吸液芯190 (步骤310)。
同时，通过从热源Qsp 151向第二蒸发器150施加热量而给起动 加注系统110供能(步骤315)以便增强或起动流体在传热系统105 中的循环。由于在第一吸液芯190和第二蒸气通道183之间的交界面 处的毛细作用压力，由第二蒸发器150输出的蒸气通过蒸气管路130 和冷凝器120来泵送(步骤320)。当蒸气到达冷凝器120时，它转变 成液体(步骤325)。将形成于冷凝器120中的液体泵送到传热系统105 的主蒸发器115(步骤330)。当主蒸发器115处于比流体的临界温度 更高的温度时，进入主蒸发器115的液体蒸发并冷却主蒸发器115。 继续该处理(步骤315-330)，从而使得主蒸发器115达到设定温度 点(步骤335)，在该设定温度点，主蒸发器能够保持液体，并被润湿， 以便作为毛细作用泵来工作。在一个实施方式中，设定温度点是储罐 155冷却达到的温度。在另一实施方式中，设定温度点是低于工作流 体临界温度的温度。在还一实施方式中，设定温度点是比储罐155冷 却达到温度更高的温度。
当达到设定温度点时(步骤335)，系统100在主模式下工作(步 骤340)，其中，从热源Qin 116施加给主蒸发器115的热量由传热系 统105来传送。具体地说，在主模式中，主蒸发器115形成毛细作用 泵送，以便促进工作流体通过传热系统105的循环。还有，在主模式 中，储罐155的设定温度点降低。在主模式过程中传热系统105的冷 却速率取决于储罐155的冷偏移，因为主蒸发器115的温度紧密跟随 储罐155的温度。另外，尽管并不需要，加热器也可以用于在主模式 过程中进一步控制或调节储罐155的温度。而且，在主模式中，通过 热源Qsp 151施加给第二蒸发器150的能量减小，因此使得传热系统 105降低至流体的正常工作温度。例如，在主模式中，从热源Qsp 151 至第二蒸发器150的热负载保持在等于或超过下面所述的热条件的 值。在一个实施方式中，来自热源Qsp的热负载保持为从热源Qin 116 施加给主蒸发器115的热负载的大约5至10％。
在该特殊实施方式中，主模式通过判断已经达到设定温度点而激 发(步骤335)。在另一实施方式中，主模式可以在其它时间或者由于 其它激发原因而开始。例如，主模式可以在起动加注系统润湿(步骤 310)之后或在储罐已经冷偏移(步骤305)之后开始。
在工作过程中的任意时间，传热系统105能够经历如下热条件， 例如由经过第一吸液芯140的热传导和施加给液体管路125上的附加 热量而形成的热条件。这两个条件都使得在蒸发器的液体侧形成蒸气。 具体地说，经过第一吸液芯140的热传导能够使得芯135中的液体形 成蒸气气泡，当留在芯135中时，该蒸气气泡将变大并阻断供给第一 吸液芯140的液体，从而使得主蒸发器115失效。输入液体管路125 的附加热量(称为“附加热增益”)能够使得液体管路125内的液体形 成蒸气。
为了减小上述热条件的不利影响，起动加注系统110在能量水平 Qsp 151大于或等于热传导和附加热增益总和的情况下工作。如上所 述，例如起动加注系统能够在传热系统105的能量的5-10％下工作。 特别是，包括蒸气气泡和液体的组合的流体流出芯135，以便排出至 通向第二冷凝器122的第二流体管路160中。特别是，形成于芯135 中的蒸气环绕卡口管143直接进入流体出口孔139。形成于第一蒸气 通道144中的蒸气通过穿过第二吸液芯145(当第二吸液芯145的孔 径大到足以容纳蒸气气泡时)或穿过在第二吸液芯145靠近出口孔139 的端部的开口运行而进入流体出口孔139，该开口提供了从第一蒸气 通道144至出口孔139的通道。第二冷凝器122冷凝流体中的气泡， 并将该流体推向储罐155，用于重新引入传热系统105中。
同样，为了减小输入液体管路125中的附加热量，第二流体管路 160和液体管路125能够形成同轴结构，且第二流体管路160环绕液 体管路125，并将该液体管路125与周围热量隔开。该实施方式将在 后面参考图8A和8B进一步介绍。由于该结构，周围热量能够使得第 二流体管路160中形成蒸气气泡，而不是在液体管路125中。如上所 述，通过在第二吸液芯145处产生的毛细作用，流体从主蒸发器115 流向第二冷凝器122。该流体流以及第二冷凝器122的相对较低温度 使得第二流体管路160中的蒸气气泡通过冷凝器122，在该冷凝器122 中，这些蒸气气泡冷凝成液体，并被泵送至储罐155内。
图4中表示了由测试运行获得的数据。在该实施方式中，在温度 410下起动主蒸发器115之前，主蒸发器115的温度400充分高于储 罐155的温度405，该储罐155冷偏移至设定温度点(步骤305)。当 润湿起动加注系统110时(步骤310)，能量Qsp 450在时间452施加 给第二蒸发器150(步骤315)，从而使得液体被泵送至主蒸发器115 (步骤330)，主蒸发器115的温度400降低，直到它在时间410时达 到储罐155的温度405。当系统100在LHP模式下工作时(步骤340)， 能量Qin 460在时间462时施加给主蒸发器115。如图所示，输入至主 蒸发器115的能量Qin 460保持相对较低，同时主蒸发器115渐渐冷 却。图中还分别表示了第二流体管路160和液体管路125的温度470 和475。在时间410后，温度470和475跟随主蒸发器115的温度。 而且，因为在第二蒸发器150和储罐155之间热连通，第二蒸发器150 的温度415紧紧跟随储罐155的温度405。
如上所述，在一个实施方式中，乙烷可以用作传热系统105中的 流体。尽管乙烷的临界温度为33℃，但是由于上面总体所述的原因， 系统能够从当系统温度为70℃的超临界状态下起动。因为施加能量 Qsp给第二蒸发器150，因此冷凝器120和储罐155的温度快速降低 (在时间452和410之间)。调整加热器可以用于将储罐155的温度控 制为-10℃，因此冷凝器120的温度控制为-10℃。为了从超临界温度 70℃起动主蒸发器115，施加10W的热负载或能量输入给第二蒸发器 150。一旦主蒸发器115起动加注，从热源Qsp 151输入至第二蒸发器 150的能量以及施加给并通过该调整加热器的能量都可以减小，以便 使系统100的温度降低至大约-50℃的标准工作温度。例如，在主模式 中，当施加40W的输入能量Qin给主蒸发器115时，输入至第二蒸发 器150的能量Qsp能够减少至大约3W，同时在-45℃下工作以便通过 热条件来减轻该3W损失(如上所述)。作为另一实例，主蒸发器115 能够在从大约10W至大约40W的能量输入下工作，而施加给第二蒸 发器150的能量为5W，储罐155的温度405为大约-45℃。
参考图5A和5B，在一个实施方式中，主蒸发器115设计为三孔 蒸发器500(该三孔蒸发器500为图1中所示的设计)。通常，在三孔 蒸发器500中，液体流入液体进口505进入由第一吸液芯540确定的 芯510，且流体从芯510由流体出口512流向冷偏移储罐(例如储罐 155)。流体和芯510装入例如由铝制成的容器515中。特别是，从液 体进口505流入芯510中的流体通过卡口管520流入液体通道521中， 该液体通道通过并环绕卡口管520。流体能够流过由芯吸材料530制 成的第二吸液芯525(例如蒸发器115的第二吸液芯145)以及环形干 路535，芯吸材料530使得环形干路535与第一蒸气通道560分离。 当来自热源Qin 116的能量施加给蒸发器500时，液体从芯510进入 第一吸液芯540并蒸发，从而形成蒸气，该蒸气自由地沿包括一个或 多个蒸气槽545的第二蒸气通道565流动，并流出蒸气通道550进入 蒸气管路130。形成于芯510的第一蒸气通道560内的蒸气气泡通过 第一蒸气通道560而离开芯510，并进入流体出口512。如上所述，当 第二吸液芯525的孔径大到足以容纳蒸气气泡时，在第一蒸气通道560 内的蒸气气泡可以通过第二吸液芯525。也可选择或者另外，在第一 蒸气通道560中的蒸气气泡可以通过沿第二吸液芯525形成于任意合 适位置的第二吸液芯525的开口，以便进入液体通道521或流体出口 512。
参考图6，在另一实施方式中，主蒸发器115设计为四孔蒸发器 600，它是在美国专利申请No.09/896561(申请日为6/29/01)中所述 的设计。简单地说(着重于与三孔蒸发器结构不同的方面)，液体通过 流体进口605流入蒸发器600，并流过卡口管610和进入芯615。在芯 615内的液体进入第一吸液芯620并蒸发，从而形成蒸气，该蒸气自 由地沿蒸气槽625流动，并流出蒸气出口630进入蒸气管路130。在 芯615内的第二吸液芯633使得芯内的液体与芯内的蒸气或气泡(当 芯615内的液体加热时产生该蒸气或气泡)分离。载有形成于第二吸 液芯633内的第一流通通道635中的气泡的液体流出流体出口640， 且在位于第二吸液芯633和第一吸液芯620之间的蒸气通道642中形 成的蒸气或气泡从蒸气出口645流出。
还参考图7，在所示热传输系统700中，主蒸发器是四孔蒸发器 600。系统700包括一个或多个传热系统705以及一个起动加注系统 710，该起动加注系统710用于将传热系统705内的流体转变成液体， 以便起动加注传热系统705。四孔蒸发器600通过蒸气管路720和流 体管路725而与一个或多个冷凝器715连接。起动加注系统710包括 冷偏移储罐730，该储罐730与起动加注蒸发器735液压连接和热连 接。
热传输系统100的设计考虑包括从超临界状态起动主蒸发器115、 控制附加热泄漏、经过第一吸液芯140的热传导、冷储罐155的冷偏 移以及在环境温度(该环境温度高于传热系统105中的工作流体的临 界温度)下的压力保持。为了适应这些设计考虑，蒸发器115或150 的本体或容器(例如容器515)能够由挤出6063铝制成，且第一吸液 芯140和/或190能够由细孔吸液芯制成。在一个实施方式中，蒸发器 115或150的外径大约为0.625英寸，容器的长度为大约6英寸。储罐 155可以利用铝并联器170而冷偏移至散热器165的端面。而且，加 热器(例如kapton加热器)可以安装在储罐155的一侧。
在一个实施方式中，蒸气管路130由外径(OD)为3/16″的光滑 壁不锈钢管制成，而液体管路125和第二流体管路160由OD为1/8″ 的光滑壁不锈钢管制成。管路125、130、160可以弯曲成蛇形路线并 镀金，以便减小附加热增益。另外，管路125、130、160可以装入具 有加热器的不锈钢盒中，以便在测试过程中模拟特殊环境。不锈钢盒 可以利用多层绝热材料(MLI)来绝热，以便减小通过散热器165的 面板的热泄漏。
在一个实施方式中冷凝器122和第二流体管路160由OD为0.25 英寸的管制成。管利用例如环氧树脂而粘接在吸热源165的面板上。 吸热源165的各面板是使用1/16英寸厚的面板的8×19英寸的直接冷 凝铝散热器。Kapton加热器能够安装在吸热源165的面板上并靠近冷 凝器120，以便防止工作流体的意外冷冻。在工作过程中，温度传感 器(例如热电偶)可以用于监测整个系统100的温度。
热传输系统100可以用于当传热系统105的工作流体的临界温度 低于系统100的工作环境温度时的任意情况。热传输系统100能够用 于冷却需要低温冷却的元件。
参考图8A-8D，热传输系统100可以用于小型低温系统800中。 在该小型系统800中，管路125、130、160由柔性材料制成，以便能 形成盘管结构805，该结构能够节省空间。小型系统800能够利用氖 流体而在-238℃下工作。输入能量Qin 116为大约0.3至2.5W。小型 系统800使得低温部件(或需要低温冷却的热源)816与低温冷却源 (例如连接成冷却冷凝器120、122的低温冷却器810)热连接。
当与普通可热转换、隔振的系统相比，小型系统800减小了质量， 增加了灵活性，且提供了热转换能力。普通的可热转换、隔振系统需 要两个柔性导热连接装置(FCL)、低温热开关(CTSW)和导热杆 (CB)，它们形成从低温元件向低温冷却源传热的回路。在小型系统 800中，因为机械交界面的数目减小，所以热性能提高。在普通的可 热转换、隔振系统中，在机械交界面处的热条件占较大百分数的热增 益。由用于小型系统800的盘管结构805的低质量、柔性薄壁管来代 替CB和两个FCL。
而且，小型系统800能够用于较大范围的热传输距离，这使得在 该结构中，冷却源(例如低温冷却器810)的位置远离低温部件816。 盘管结构805具有较低质量和较低表面面积，从而减小了通过管路125 和160的附加热增益。在小型系统800中的冷却源810的结构便于系 统800的集成和封装，并减小了冷却源810的振动，这在红外线传感 器用途中特别重要。在一个实施方式中，小型系统800利用氖进行测 试，在25-40K下工作。
参考图9A-9C，传热系统100可以用于可调节安装或用万向架固 定的系统1005，在该系统1005中，主蒸发器115和管路125、160和 130的一部分安装成可在±45°的范围内绕仰角轴1020旋转，管路125、 160和130的一部分安装成可在±220°的范围内绕方位轴1025旋转。 管路125、160、130由薄壁管形成，并环绕各旋转轴盘绕。系统1005 使得低温部件(或需要低温冷却的热源)1016(例如低温望远镜的传 感器)与低温冷却源(例如连接成冷却冷凝器120、122的低温冷却器 1010)热连接。冷却源1010位于静止航天器1060中，因此减小了低 温望远镜的质量。改善了用于控制管路125、160、130旋转的马达扭 矩、系统1005所需的能量、航天器1060所需的控制和传感器1016 的指向精确性。低温冷却器1010和吸热源165能够从传感器1016上 移开，从而减小传感器1016内的振动。在一个实施方式中，当工作流 体为氮时，测试系统1005以便在70-115K的范围内工作。
传热系统105可以用于医疗用途，或者用于设备必须冷却至低于 环境温度的用途中。作为另一实例，传热系统105可以用于冷却红外 线(IR)传感器，该红外线(IR)传感器在低温下工作，以便减小环 境噪音。传热系统105可以用于冷却自动售货机，该自动售货机通常 装有优选是冷却至低于环境温度的物品。传热系统105可以用于冷却 例如计算机(例如膝上型计算机、便携式计算机或台式计算机)的显 示器或硬盘驱动器的部件。传热系统105可以用于冷却在运输装置(例 如汽车或飞机)中的一个或多个部件。
其它实施方式也在下面的权利要求的范围内。例如，冷凝器120 和吸热源165可以设计为整体系统，例如散热器。同样，第二冷凝器 122和吸热源165可以由散热器形成。吸热源165可以是被动吸热源 (例如辐射器)或者主动冷却冷凝器120、122的低温冷却器。
在另一实施方式中。储罐155的温度利用加热器来控制。在还一 实施方式中，储罐155利用附加热来加热。
在另一实施方式中，绝热材料的同轴环形成和布置于液体管路 125和第二流体管路160之间，该第二流体管路160包围绝缘环。
蒸发器设计
蒸发器是两相传热系统中的整体部件。例如，如上述图5A和5B 中所示，蒸发器500包括蒸发器本体或容器515，该蒸发器本体或容 器515与包围芯510的第一吸液芯540接触。芯510确定了工作流体 的流动通道。第一吸液芯540在它的周边由多个周边流动槽道或蒸气 槽545包围。槽道545收集在吸液芯540和蒸发器本体515之间的交 界面处的蒸气。槽道545与蒸气出口550接触，该蒸气出口550供给 蒸气管路，该蒸气管路供给冷凝器，从而能够排空在蒸发器115中形 成的蒸气。
蒸发器500和上述其它蒸发器通常有柱形几何形状，也就是，蒸 发器的芯形成柱形通道，工作流体经过该柱形通道。蒸发器的柱形几 何形状有利于当受热表面为柱形空心时的冷却用途。很多冷却用途需 要从具有扁平表面的热源向外传热。在这些用途中，蒸发器可以变化 成包括扁平导热座板，该导热座板与具有扁平表面的热源的台面区域 相匹配。这样的设计例如在美国专利No.6382309中介绍。
蒸发器的柱形几何形状有利于适应LHP工作的热力学限制条件 (也就是，最少的热量将泄漏至储罐中)。由于LHP的过冷量而引起 的LHP工作限制条件需要用于正常的平衡操作。此外，蒸发器的柱形 几何形状相对容易制造、运送、机械加工和处理。
不过，如后面所述，蒸发器可以设计成具有平面形状，以便更自 然地安装在扁平热源上。
平面形设计
参考图10，用于传热系统的蒸发器1000包括加热壁1005、液体 隔板壁1010、在加热壁和液体隔板壁1010内侧之间的第一吸液芯 1015、蒸气去除槽道1020和液体流动槽道1025。
加热壁1005与第一吸液芯1015紧密接触。液体隔板壁1010在流 液体隔板壁1010的内侧容纳工作流体，这样，工作流体只沿液体隔板 壁1010的内侧流动。液体隔板壁1010闭合蒸发器的封套，并帮助组 织和分配工作流体通过液体流动槽道1025。蒸气去除槽道1020位于 在第一吸液芯1015的蒸发表面1017和加热壁1005之间的交界面处。 液体流动槽道1025位于液体隔板壁1010和第一吸液芯1015之间。
加热壁1005作为用于热源的受热表面。加热壁1005由导热材料 (例如金属板)制成。选择用于加热壁1005的材料通常能够承受工作 流体的内部压力。
蒸气去除槽道1020设计成平衡槽道1020的液压阻力和通过加热 壁1005向第一吸液芯1015内的导热。槽道1020能够进行电蚀刻、机 械加工、或者通过任意其它普通方法形成于表面中。
蒸气去除槽道1020表示为在加热壁1005内侧中的槽。不过，根 据所选择的设计方法，蒸气去除槽道可以以多种不同方式来设计和定 位。例如，根据其它实施方式，蒸气去除槽道1020是在第一吸液芯 1015的外表面中开槽，或者嵌入第一吸液芯1015内，这样，该蒸气 去除槽道1020在第一吸液芯的表面下面。蒸气去除槽道1020的设计 选择为能够更容易和方便地制造，并近似遵循一种或多种以下原则。
首先，蒸气去除槽道1020的水力直径将足以在没有明显压力降的 情况下运送在第一吸液芯1015的蒸发表面1017上产生的蒸气流。第 二，在加热壁1005和第一吸液芯1015之间的接触表面应当最大，以 便有效地从热源向第一吸液芯1015的蒸发表面传热。第三，与第一吸 液芯1015接触的加热壁1005的厚度1030应当最小。当厚度1030增 加时，在第一吸液芯1015的表面上的蒸发减小，通过蒸气去除槽道 1020的蒸气输送也减少。
蒸发器1000能够由单独的部件来装配。也可选择，通过在具有特 定心轴的两壁之间就地烧结第一吸液芯1015以便形成在吸液芯两侧 的槽道，蒸发器1000能够制成为单个部件。
第一吸液芯1015设有蒸发表面1017，并将工作流体从液体流动 槽道1025泵送或供给第一吸液芯1015的蒸发表面。
第一吸液芯1015的尺寸和设计将涉及多个考虑情况。第一吸液芯 1015的导热性应当足够低，以便减小通过第一吸液芯1015而从蒸发 表面1017至液体流动槽道1025的热泄漏。热泄漏还受到第一吸液芯 1015的线性尺寸的影响。因此，第一吸液芯1015的线性尺寸应当合 适优化，以便减小热泄漏。例如，增加第一吸液芯1015的厚度1019 将减小热泄漏。不过，增加厚度1019可能增加第一吸液芯1015对于 工作流体流的液压阻力。在工作LHP设计中，由于第一吸液芯1015 而引起的工作流体的液压阻力可能较大，且这些因素的合适平衡也很 重要。
驱动或泵送传热系统的工作流体的力上在第一吸液芯的蒸气侧和 液体侧之间的温度或压力差。压力差由第一吸液芯来支持，并通过合 适控制进入工作流体的热平衡来保持该压力差。
从冷凝器返回蒸发器的液体通过液体返回管路，并稍微过冷。过 冷的程度补偿通过第一吸液芯的热泄漏和在液体返回管路中从外界泄 漏至储罐中的热量。液体的过冷保持储罐的热平衡。不过，还有其它 有利的方法来保持储罐的热平衡。
一种方法是在储罐和外界环境之间有组织的热交换。对于平面形 设计的蒸发器(例如通常用于陆地用途的蒸发器)，传热系统包括在储 罐上和/或在蒸发器1000的液体隔板壁1010上的换热翅片。在这些翅 片上的自然对流的力提供了过冷，并降低了在传热系统的冷凝器和储 罐上的应力。
储罐的温度或者在储罐和第一吸液芯1015的蒸发表面1017之间 的温度差支持工作流体通过传热系统的循环。一些传热系统可能需要 附加的过冷量。即使当冷凝器完全阻塞时，所需量也可能大于冷凝器 能够产生的量。
在设计蒸发器1000时，需要处理三个变量。首先，需要确定液体 流动槽道1025的组织和设计。第二，需要考虑蒸气从液体流动槽道 1025中的排出。第三，蒸发器1000应当设计成保证液体充满液体流 动槽道1025。这三个变量相互关联，因此应当一起考虑和优化，以便 形成有效的传热系统。
如上所述，重要的是在泄漏至蒸发器的液体侧的热量和第一吸液 芯的泵送能力之间获得合适的平衡。该平衡处理不能独立于冷凝器(该 冷凝器提供过冷)的优化来进行，因为在蒸发器的设计中允许的热泄 漏越大，在冷凝器中就需要产生越大的过冷。冷凝器越长，在流体管 路中的液压损失就越大，这可能需要具有更好的泵送能力的不同吸液 芯材料。
在工作时，当施加来自热源的能量给蒸发器1000时，液体从液体 流动槽道1025进入第一吸液芯1015并蒸发，从而形成蒸气，该蒸气 自由地沿蒸气去除槽道1020流动。流入蒸发器1000的液体由液体流 动槽道1025提供。液体流动槽道1025向第一吸液芯1015供给足够液 体，以便代替在第一吸液芯1015的蒸气侧蒸发的液体，并代替在第一 吸液芯1015的液体侧蒸发的液体。
蒸发器1000可以包括第二吸液芯1040，该第二吸液芯1040提供 了在蒸发器1000的液体侧的相处理，并支持以临界工作模式向第一吸 液芯1015进行供给(如上所述)。第二吸液芯1040形成于液体流动槽 道1025和第一吸液芯1015之间。第二吸液芯可以是网筛(如图10 所示)，或者是先进和复杂的干路，或者为厚块芯吸结构。另外，蒸发 器1000可以包括在第一吸液芯1015和第二吸液芯1040之间的交界面 处的蒸气排出槽道1045。
通过第一吸液芯1015传导的热量可能使工作流体在错误的位置 开始蒸发(在靠近液体流动槽道1025或在该液体流动槽道1025内的 蒸发器1000的液体侧)。蒸气去除槽道1045将不希望的蒸气从吸液芯 中向外输送至两相储罐内。
第一吸液芯1015的细孔结构能够给液体产生明显的流阻。因此， 重要的是优化液体流动槽道1025的数目、几何形状和设计。该优化的 目标是支持均匀或近似均匀地将流体流供给蒸发表面1017。而且，当 第一吸液芯1015的厚度1019减小时，液体流动槽道1025能够更远地 间隔开。
蒸发器1000可能需要充分的蒸气压力以便通过蒸发器1000内的 特殊工作流体而工作。使用具有高蒸气压力的工作流体可能引起几个 问题，其中有蒸发器封套的压力保持。解决压力保持问题的普通方法 (例如增厚蒸发器的壁)并不总是有效。例如，在具有较大扁平区域 的平面形蒸发器中，壁变得很厚将使得温度差增加，蒸发器的导热性 降低。另外，即使由于压力保持而使得壁产生细微偏斜，也会导致在 壁和第一吸液芯之间的接触损失。这样的接触损失影响通过蒸发器的 传热。且壁的微小偏斜将给在蒸发器和热源以及和任意外部冷却设备 之间的交界面造成困难。
环形设计
参考图10-13，环形蒸发器1100通过有效地辊轧平面形蒸发器 1000而形成，这样，第一吸液芯1015环回自身并形成环形形状。蒸 发器1100可以用于当热源具有柱形外部轮廓时的用途，或者用于当热 源形成为柱形时的用途。环形形状组合了用于压力保持的柱体的强度 以及为了最好地与柱形热源接触的弯曲交界表面。
蒸发器1100包括加热壁1105、液体隔板壁1110、位于加热壁1105 和液体隔板壁1110内侧之间的第一吸液芯1115、蒸气去除槽道1120 和液体流动槽道1125。液体隔板壁1110与第一吸液芯1115和加热壁 1105同轴。
加热壁1105与第一吸液芯1115紧密接触。液体隔板壁1110在该 液体隔板壁1110的内侧容纳工作流体，这样，工作流体只沿液体隔板 壁1110的内侧流动。液体隔板壁1110闭合蒸发器的封套，并帮助组 织和分配工作流体通过液体流动槽道1125。
蒸气去除槽道1120位于在第一吸液芯1115的蒸发表面1117和加 热壁1105之间的交界面处。液体流动槽道1125位于液体隔板壁1110 和第一吸液芯1115之间。加热壁1105作为受热表面，在该表面上产 生的蒸气通过蒸气去除槽道1120来除去。
第一吸液芯1115充装在加热壁1105和蒸发器1100的液体隔板壁 1110之间的容积，以便提供可靠的反弯液面蒸发。
蒸发器1100还可以装备有换热翅片1150，该换热翅片1150与液 体隔板壁1110接触，以便冷偏移液体隔板壁1110。液体流动槽道1125 从液体进口1155接收液体，且蒸气去除槽道1120伸向蒸气出口1160 并使得蒸气通向蒸气出口1160。
蒸发器1100可以用于包括靠近第一吸液芯1115的环形储罐1165 的传热系统。储罐1165可以通过横过该储罐1165延伸的换热翅片1150 而冷偏移。储罐1165的冷偏移能够利用整个冷凝器区域，而不需要在 冷凝器处产生过冷。通过使储罐1165和蒸发器1100冷偏移而提供的 过多冷却将补偿通过第一吸液芯1115泄漏至蒸发器1100的液体侧内 的附加热。
在另一实施方式中，蒸发器设计能够变化，且蒸发装置能够布置 在外周上，且液体返回装置能够布置在内周上。
蒸发器1100的环形形状可以提供一个或多个以下或附加优点。首 先，压力保持的问题可以在环形蒸发器1100中减小或消除。第二，第 一吸液芯1115可能并不需要在内部烧结，因此提供了用于第一吸液芯 1115的蒸气侧和液体侧的更复杂设计的更大空间。
还参考图14A-H，环形蒸发器1400表示为有液体进口1455和 蒸气出口1460。环形蒸发器1400包括加热壁1700(图14G、14H和 17A-D)、液体隔板壁1500(图14G、14H、15A和15B)、位于加热 壁1700和液体隔板壁1500内侧之间的第一吸液芯1600(图14G、14H 和16A-D)、蒸气去除槽道1465(图14H)和液体流动槽道1505(图 14H和15B)。环形蒸发器1400还包括：环1800(图14G和18A-D)， 该环1800保证在加热壁1700和液体隔板壁1500之间的间隔；以及环 1900(图14G、14H和19A-D)，该环1900在蒸发器1400的底部， 该环1900提供了用于液体隔板壁1500和第一吸液芯1600的支承。加 热壁1700、液体隔板壁1500、环1800、环1900和吸液芯1600优选 是由不锈钢形成。
蒸发器1400的上部(也就是在吸液芯1600上面)包括膨胀容积 1470(图14H)。形成于液体隔板壁1500中的液体流动槽道1505由液 体进口1455进行供给。吸液芯1600使得液体流动槽道1505与蒸气去 除槽道1465分离，该蒸气去除槽道1465通过形成于环1900中的蒸气 环带1475(图14H)而通向蒸气出口1460。蒸气槽道1465可以光蚀 刻至加热壁1700的表面中。
这里所述的蒸发器只要实现上述特征，就可以在材料、尺寸和结 构的任意组合中工作。除了这里所述的准则外没有其它限制条件；蒸 发器可以制成为任意形状、尺寸和材料。仅有的设计限制是使用材料 可彼此相容，且工作流体的选择将考虑结构限制、腐蚀性、不可冷凝 气体的产生以及使用寿命问题。
多种陆地用途可以装有具有环形蒸发器1100的LHP。环形蒸发 器在重力场中的定位由应用特征和热表面的形状来预定。
循环换热系统
循环换热系统可以由一个或多个传热系统构成，以便控制在换热 系统的一定区域处的温度。循环换热系统可以为利用热力学循环而工 作的任意系统，例如循环换热系统、斯特林换热系统(也称为斯特林 发动机)或空调系统。
参考图20，斯特林换热系统2000利用已知类型的、对环境友好 且高效的制冷循环。斯特林系统2000通过引导工作流体(例如氦)通 过四个重复操作而起作用；也就是，等温加热操作、等容放热操作、 等温放热操作和等容加热操作。
斯特林系统2000设计为自由活塞斯特林冷却器(FPSC)，例如 Global Cooling模块M100B(由Global Cooling Manufacturing，94N. Columbus Rd.，Athens，Ohio可获得)。FPSC 2000包括容纳接收AC 电输入2010的线性马达(未示出)的线性马达部分2005。FPSC 2000 包括热接收器2015、发电机2020和放热器2025。FPSC 2000包括平 衡块2030，该平衡块2030与线性马达部分2005中的线性马达的本体 连接，以便在FPSC的工作过程中吸收振动。FPSC 2000还包括装料 孔2035。FPSC 2000包括内部部件，例如在图21的FPSC 2100中所 示的部件。
FPSC 2100包括装入线性马达部分2110中的线性马达2105。线 性马达部分2110装有活塞2115，该活塞2115的一端与扁平弹簧2120 连接，另一端与置换器2125连接。转换器2125与分别形成冷侧和热 侧的膨胀空间2130和压缩空间2135连接。热接收器2015安装在冷侧 2130上，放热器安装在热侧2135上。FPSC 2100还包括平衡块2140， 该平衡块2140与线性马达部分2110连接，以便在FPSC 2100的工作 过程中吸收振动。
还参考图22，在一个实施方式中，FPSC 2200包括由铜套筒制成 的放热器2205和可以为铜套筒的热接收器2210。放热器2205的外径 (OD)为大约100mm，宽度为大约53mm，以便提供当在20-70℃ 的温度范围内工作时能产生6W/cm2热流的166cm2放热表面。热接收 器2210的OD为大约100mm，宽度为大约37mm，以便提供在-30 -5℃的温度范围内能产生5.2W/cm2热流的115cm2热接收表面。
简单地说，在工作时，FPSC充满冷却剂(例如氦气)，该冷却剂 通过活塞和置换器的组合运动而来回往返运动。在理想系统中，当冷 却剂由活塞压缩时，热能通过放热器排出至环境中，而当冷却剂膨胀 时，热能通过热接收器从环境中取出。
参考图23，热力学系统2300包括例如循环换热系统2305(例如 系统2000、2100、2200)的循环换热系统以及传热系统2310，该传热 系统2310与循环换热系统2305的一部分2315热连接。循环换热系统 2305为柱形，且传热系统2310形成为环绕循环换热系统2305的部分 2315，以便从部分2315中排出热量。在该实施方式中，部分2315是 循环换热系统2305的热侧(也就是放热器)。热力学系统2300还包括 风扇2320，该风扇2320位于循环换热系统2305的热侧，以便迫使空 气越过传热系统2310的冷凝器，并因此提供附加的对流冷却。
循环换热系统2305的冷侧2335(也就是热接收器)与热虹吸管 2345的CO2回流器2340热连接。热虹吸管2345包括冷侧换热器2350， 该冷侧换热器2350用于冷却在热力学系统2300中的空气，该空气通 过风扇2355而被强制越过换热器2350。
参考图24，在另一实施方式中，热力学系统2400包括例如循环 换热系统2405(例如系统2000、2100、2200)的循环换热系统以及传 热系统2410，该传热系统2410与循环换热系统2405的热侧2415热 连接。热力学系统2400包括传热系统2420，该传热系统2420与循环 换热系统2405的冷侧2425热连接。热力学系统2400还包括风扇2430、 2435。风扇2430位于热侧2415处，以便迫使空气通过传热系统2410 的冷凝器。风扇2435位于冷侧2425处，以便迫使空气通过传热系统 2420的冷凝器。
参考图25，在一个实施方式中，热力学系统2500包括传热系统 2505，该传热系统2505与循环换热系统(例如循环换热系统2510) 连接。传热系统2505用于冷却循环换热系统2510的热侧2515。传热 系统2505包括：环形蒸发器2520，该环形蒸发器2520包括膨胀容积 (或储罐)2525；液体返回管路2530，该液体返回管路2530在冷凝 器2540的液体出口2535和蒸发器2520的液体进口之间提供流体连 通。传热系统2505还包括蒸气管路2545，该蒸气管路2545在蒸发器 2520的蒸气出口和冷凝器2540的蒸气进口2550之间提供流体连通。
冷凝器2540由光滑壁管构成，并装备有换热翅片2555或翅片体， 以便加强管外侧的换热。
蒸发器2520包括第一吸液芯2560，该第一吸液芯2560夹在加热 壁2565和液体隔板壁2570之间，并分离液体和蒸气。液体隔板壁2570 通过沿壁2565的外表面形成的换热翅片2575而冷偏移。换热翅片 2575使得储罐2525和蒸发器2520的整个液体侧过冷。蒸发器2520 的换热翅片2575可以与冷凝器2540的换热翅片2555分开设计。
液体返回管路2530伸入位于第一吸液芯2560上面的储罐2525 中，且来自液体返回管路2530和蒸气去除槽道(在第一吸液芯2560 和加热壁2565的交界面处)的蒸气气泡(如果有的话)都排入储罐 2525中。用于传热系统2505的普通工作流体包括(但不局限于)甲 醇、丁烷、CO2、丙烯和氨。
蒸发器2520安装在循环换热系统2510的热侧2515上。在一个实 施方式中，该安装为一体，因为蒸发器2520是循环换热系统2510的 整体部分。在另一实施方式中，安装可以并不为一体，因为蒸发器2520 能够夹在热侧2510的外表面上。传热系统2505通过强制对流吸热源 来冷却，该强制对流吸热源可以由简单风扇2580而提供。也可选择， 传热系统2505通过自然或通风对流来冷却。
首先，液相的工作流体被收集在蒸发器2520、液体返回管路2530 和冷凝器2540的下部。第一吸液芯2560由于毛细作用力而润湿。当 加热时(例如打开循环换热系统2510)，第一吸液芯2560开始产生蒸 气，该蒸气通过蒸发器2520的蒸气去除槽道(类似于蒸发器1100的 蒸气去除槽道1120)、通过蒸发器2520的蒸气出口并进入蒸气管路 2545。
然后，蒸气进入冷凝器2540并在冷凝器2540的上部。冷凝器2540 将蒸气冷凝成液体，且液体收集在冷凝器2540的下部。由于在储罐 2525和冷凝器2540下部之间的压力差而将液体推入储罐2525内。液 体从储罐2525进入蒸发器2520的液体流动槽道。蒸发器2520的液体 流动槽道设置为类似于蒸发器1100的槽道1125，并为合适地确定尺 寸且定位，以便提供用于蒸发的液体的足够的代替液体。由第一吸液 芯2560产生的毛细作用压力足以承受整个LHP压力降，并防止蒸气 气泡穿过第一吸液芯2560朝着液体流动槽道运行。
当上述冷偏移足以补偿横过第一吸液芯2560的增大热泄漏(该增 大热泄漏由于环带的换热表面的表面积相对于液体流动槽道的表面积 增加而产生)时，蒸发器2520的液体流动槽道能够由简单的环带来代 替。
参考图26-28，传热系统2600包括与循环换热系统2610连接的 蒸发器2605以及与该蒸发器2605连接的膨胀容积2615。蒸发器2605 的蒸气槽道供给蒸气管路2620，该蒸气管路2620供给冷凝器2630的 一系列槽道2625。来自冷凝器2630的冷凝液体被收集在液体返回槽 道2635中。传热系统2600还包括翅片体2640，该翅片体2640与冷 凝器2630热连接。
蒸发器2605包括加热壁2700、液体隔板壁2705、位于该加热壁 2700和液体隔板壁2705内侧之间的第一吸液芯2710、蒸气去除槽道 2715以及液体流动槽道2720。液体隔板壁2705与第一吸液芯2710 和加热壁2700同轴。液体流动槽道2720由液体返回槽道2725来供给， 且蒸气去除槽道2715供给蒸气出口2730中。
加热壁2700与第一吸液芯2710紧密接触。液体隔板壁2705在该 液体隔板壁2705的内侧容纳工作流体，因此，工作流体只沿液体隔板 壁2705的内侧流动。液体隔板壁2705闭合蒸发器的封套，并帮助组 织和分配工作流体通过液体流动槽道2720。
在一个实施方式中，蒸发器2605的高度为大约2″，而膨胀容积 2615的高度为大约1″。蒸发器2605和膨胀容积2615缠绕循环换热系 统2610的具有4″外径的部分。蒸气管路2620的半径为1/8″。循环换 热系统2610包括大约58个冷凝器槽道2625，且各冷凝器槽道2625 的长度为2″，半径为0.012″，展开槽道2625，这样，冷凝器2630的 宽度为大约40″。液体返回槽道2725的半径为1/16″。换热器2800(包 括冷凝器2630和翅片体2640)的长度为大约40″，并缠绕成内部和外 部环路(见图30、33和34)，以便产生外径为大约8″的柱形换热器。 蒸发器2605的截面宽度2750为大约1/8″，该截面宽度由加热壁2700 和液体隔板壁2705确定。蒸气去除槽道2715的宽度为大约0.020″， 深度为大约0.020″，并彼此分开大约0.020″，以便产生每英寸25个 槽道。
如上所述，传热系统(例如系统2310)与循环换热系统的所述部 分(例如部分2315)热连接。在传热系统和该部分之间的热连接能够 通过任意合适方法来形成。在一个实施方式中，当传热系统的蒸发器 与循环换热系统的热侧进行热连接时，蒸发器可以环绕和接触热侧， 且能够通过在热侧和蒸发器之间施加的热油脂化合物来实现热连接。 在另一实施方式中，当传热系统的蒸发器与循环换热系统的热侧进行 热连接时，通过直接在循环换热系统的热侧中形成蒸气槽道，蒸发器 可以与循环换热系统的热侧构成为一体。
参考图30-32，传热系统3000环绕循环换热系统3005安装。传 热系统3000包括环绕蒸发器3015的冷凝器3010。已经蒸发的工作流 体通过与冷凝器3010连接的蒸气出口3020而离开蒸发器3015。冷凝 器3010进行环绕，并在接头3025处在自身的内部对折。
循环换热系统3005被蒸发器3015环绕该循环换热系统3005的放 热表面3100。蒸发器3015与放热表面3100紧密接触。制冷组件(该 制冷组件是循环换热系统3005和传热系统3000的组合)安装在管 3205中，而风扇3210安装在管3205的端部，以便迫使空气通过冷凝 器3010的翅片3030通向排气槽道3035。
蒸发器3015有吸液芯3215，在该吸液芯3215中，工作流体从放 热表面3100中吸收热量，并从液体相变成蒸气。传热系统3000包括 在蒸发器3015顶部的储罐3220，该储罐3220提供膨胀容积。为了简 化，蒸发器3015在该图中表示为阴影块，并没有表示内部详细情况。 该内部详细情况将在本说明书的其他部分中介绍。
蒸发的工作流体通过蒸气出口3020离开蒸发器3015，并进入冷 凝器3010的蒸气管路3040。工作流体从蒸气管路3040通过冷凝器 3010的槽道3045而向下流至液体返回管路3050。当工作流体流过冷 凝器3010的槽道3045时，该工作流体通过翅片3030而向经过翅片之 间的空气损失热量，以便从蒸气相变成液体。已经经过冷凝器3010 的翅片3030的空气通过排气槽道3035而流出。液化的工作流体(以 及可能的一些未冷凝蒸气)通过液体返回孔3055而从液体返回管路 3050流回至蒸发器3015中。
参考图33和34，热传输系统3300包围循环换热系统3302的一 部分，该热传输系统3300再由排气槽道3305包围。热传输系统3300 包括蒸发器3310，该蒸发器3310的上部包围循环换热系统3302。蒸 气孔3315使得蒸发器3310与冷凝器3320的蒸气管路3312连接。蒸 气管路3312包括外部区域，该外部区域环绕蒸发器3310，然后在接 头3325处自我对折，以便形成内部区域，该内部区域以相反方向往回 环绕蒸发器3310。热传输系统3300还包括在冷凝器3320上的冷却翅 片3330。
热传输系统3300还包括液体返回孔3400，该液体返回孔3400提 供了用于使冷凝的工作流体从冷凝器3320的液体管路3405返回蒸发 器3310的通路。
如上所述，在蒸发器3310和循环换热系统3302的放热表面之间 的交界面可以根据多种可选实施方式中的一种来实现。
参考图35，在一种实施方式中，蒸发器3500在循环换热系统3505 的放热表面3502上面滑动。蒸发器3500包括加热壁3510、液体隔板 壁3515和夹在该壁3510和3515之间的吸液芯3520。简单地说，吸 液芯3520装备有蒸气槽道3525，且液体流动槽道3530形成于液体隔 板壁3515上。
蒸发器3500在循环换热系统3050上面滑动，并可以通过使用夹 子3600(图36中所示)而保持就位。为了帮助传热，导热油脂3535 布置在循环换热系统3050和蒸发器3500的加热壁3510之间。在可选 实施方式中，蒸气槽道3525形成于加热壁3510中，而不是吸液芯3520 中。
参考图37，在另一实施方式中，蒸发器3700通过压配合而套装 在循环换热系统3705的放热表面3702上。蒸发器3700包括加热壁 3710、液体隔板壁3715以及夹在壁3710和3715之间的吸液芯。蒸发 器3700的尺寸设置成与循环换热系统3705的放热表面3702进行压配 合。
加热蒸发器3700，从而使它的内径膨胀，以便能够在未加热的放 热表面3702上面滑动。当蒸发器3700冷却时它进行收缩，以便以压 配合的关系固定在循环换热系统3705上。因为紧密配合，因此不需要 导热油脂来增强传热。吸液芯3720装备有蒸气槽道3725。在可选实 施方式中，蒸气槽道形成于加热壁3710中，而不是形成于吸液芯3720 中。简单地说，液体流动槽道3730形成于液体隔板壁3715中。
参考图38，在另一实施方式中，蒸发器3800套装在循环换热系 统3805的放热表面3802上面，且在蒸发器3800中的前述装置这时成 一体形成于放热表面3802中。特别是，蒸发器3800和放热表面3802 一起构成为整体组件。放热表面3802变化成具有蒸气槽道3825；这 样，放热表面3802作为蒸发器3800的加热壁。
蒸发器3800包括形成于变化的放热表面3802周围的吸液芯3820 和液体隔板壁3815，该吸液芯3820和液体隔板壁3815成一体粘在放 热表面3802上，以便形成密封蒸发器3800。液体流动槽道3830将以 简单形式描述。这样，形成具有整体蒸发器的复合循环换热系统。与 夹持结构和压配合结构相比，因为在循环换热系统和蒸发器的吸液芯 之间的热阻减小，这样的成一体结构提高了热性能。
参考图29，曲线2900和2905表示了要由传热系统冷却的循环换 热系统的部分的表面的最大温度与在传热系统和循环换热系统的要冷 却部分之间的交界面的表面积之间的关系。最大温度表示了最大放热 量。在曲线2900中，在所述部分和传热系统之间的交界面通过导热油 脂化合物来实现。在曲线2905中，传热系统与该部分形成一体。
如图所示，在300CFM的气流下，当交界面是热油脂交界面时， 最大的放热量将落在具有换热表面面积2910(例如100ft2)的最大放 热表面温度2907(例如70℃)内。当通过使在放热表面中直接形成蒸 气槽道而使得蒸发器与该部分构成一体时，该放热表面将在换热表面 面积明显更小的情况下以低于热油脂交界面的最大放热表面温度的温 度而工作。
参考图39，冷凝器3900形成有翅片3905，该翅片3905提供了在 空气或环境与冷凝器3900的蒸气管路3910之间的热连通。蒸气管路 3910与蒸气出口3915连接，该蒸气出口3915与位于冷凝器3900内 的蒸发器3920连接。
参考图40-43，在一个实施方式中，冷凝器3900进行层叠，并 形成有穿过冷凝器3900的扁平板4000而在蒸气集管3925和液体集管 3930之间延伸的流动槽道。铜是适用于制造层叠冷凝器的材料。层叠 结构的冷凝器3900包括基座4200，该基座4200有形成于其中的流体 流动槽道4205(以虚线表示)，且顶层4210粘在基座4200上，以便 覆盖和密封流体流动槽道4205。流体流动槽道4205设计为形成于基 座4200中并密封在顶层4210下面的沟槽。用于流体流动槽道4205 的沟槽可以通过化学蚀刻、电化学蚀刻、机械加工或放电机械加工方 法来形成。
参考图44和45，在另一实施方式中，冷凝器3900进行挤压加工， 较小流动槽道4400穿过冷凝器3900的扁平板4405延伸。铝是适用于 该挤压冷凝器的合适材料。挤压的细微槽道扁平板4405在蒸气集管 4410和液体集管4415之间延伸。而且，波纹状翅片体4420粘在(例 如铜焊或用环氧树脂粘合)扁平板4405的两侧。
参考图46，图中表示了传热系统4600与循环换热系统4605连接的 一侧的剖视图。该图表示了用于传热系统的特别紧凑包装的相对尺寸。 在该图中，翅片4610表示为位相相差90度，以便容易图示。为了冷却 4英寸直径的循环换热系统4605的放热表面4615，蒸发器4620的厚度 为0.25英寸，且冷凝器的径向厚度为1.75英寸。这提供了用于包装(传 热系统4600和8英寸的循环换热系统4605的组合)的总尺寸。
如上所述，用于传热系统中的蒸发器装备有吸液芯。因为吸液芯 用于传热系统的蒸发器中，因此冷凝器可以相对于蒸发器和相对于重 力而定位在任意位置。例如，冷凝器可以位于蒸发器上面(相对于重 力引力)、蒸发器下面(相对于重力引力)、或者靠近蒸发器，因此与 蒸发器经受相同的重力引力。
应当知道，已经在上述几个实施方式中介绍了术语斯特林发动机、 斯特林换热系统和自由活塞斯特林冷却器。不过，对于这些实施方式 所述的特征和原理也可以用于其它能够在机械能和热能之间进行转换 的发动机。
而且，上述特征和原理可以用于任意热机，该热机是能够经历循 环(也就是最终返回它的初始状态的一系列转变)的热力学系统。如 果在循环中的每次转变都可逆时，则该循环是可逆的，传热沿相反方 向进行，且所做的功的量将转换符号。最简单的可逆循环是卡诺循环， 该卡诺循环与两个热源进行换热。
相关申请的交叉引用
本申请要求美国临时申请No.60/421737(申请日为2002年10月 28日)的优先权，该申请被本文参引。
标题为“HEAT TRANSFER SYSTEM FOR A CYCLICAL HEAT EXCHANGE SYSTEM”且申请日为2003年10月28日的美国临时申 请被本文参引。
本申请是标题为“EVAPORATOR FOR A HEAT TRANSFER SYSTEM”且申请日为2003年10月2日的实用新型申请的部分延续， 该实用新型申请要求美国专利No.60/415424(申请日为2003年10月 2日)的优先权，该美国专利No.60/415424也被本文参引。
本申请是美国申请No.10/602022的部分延续，该美国申请 No.10/602022的申请日为2003年6月24日，它要求美国临时申请 No.60/391006(申请日为2002年6月24日)的优先权，且本申请是 美国申请No.09/896561的部分延续，该美国申请No.09/896561的申请 日为2001年6月29日，它要求美国临时申请No.60/215588(申请日 为2000年6月30日)的优先权。所有这些申请都被本文参引。