专利名称：制冷系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种制冷系统，该系统使用一个斯特林机(Stirlingmachine)，该斯特林机作为传递到位于压缩机外部并与其隔开的环境中的热能源，特别是，涉及其热交换器(端)。
背景技术：
斯特林机已经为人所知许多年，其以几种应用方式运行。通过使用热源，斯特林机广泛用作产生运动的系统(马达)，并用于能源产生领域。斯特林机同样用来冷却环境，或者用在制冷系统中，主要使用在具有低制冷能力(在美国采暖、制冷与空调工程师学会(ASHRAE)的抽点检验中为100W以下)和低储藏温度(低于100℃)的系统中。
这种机器包括一个密封壳体，在该密封壳体内安装一个马达，该马达可以为驱动活塞的线性类型，该活塞用于压缩存在于壳体内部的气体。在密封壳体的内部进一步设置一个热交换器，该热交换器连接在一个热的外部热交换器，或者热端(hot head)上，还连接在与一个冷的外部热交换器相连接的其它热交换器，或者冷端(cold head)上，这两个热交换器由一种具有良好导热性的金属材料制成，该材料使两个热交换器能够分别完成阻止热量向斯特林机的外部环境传递，以及从另外的环境中吸收热量。
这种斯特林机通常具有指向热释放环境的热端的热量，其冷端与制冷系统连接起来以冷却特定的环境。
该斯特林机通过使用例如氦气作为冷却流体进行工作，但是也可以使用其它制冷流体，例如氢气或氮气，如专利US5927079中所述。
斯特林机需要能够将热量从热的热交换器向环境传递的辅助设备，该热量需要传递到该环境，以及需要能够从环境中吸收热量的设备，该环境需要通过冷端制冷。在该领域中已知一些能够实现这种热传递的设备。
已知的现有技术采用不同的方式使这种传递成为可能，例如使用热虹吸管式辅助热交换器，如在专利US6347523所了解的；在端(head)上设置散热片并使用辅助气体运动系统；使用热管；使用流体泵系统，该系统采用由振荡、机械或者电运动中的一种驱动的泵。
在已知的现有技术解决方案的一种中，在制冷系统中采用斯特林机，如专利US5927079中所描述的，确定环境的制冷通过在低温下用泵输送制冷流体而实现，该制冷流体在流经斯特林机冷端周围流向设置在被制冷环境中的蒸发器时，由热交换器制冷。在这种结构中，通过使用设置在斯特林机和蒸发器之间的泵装置，在低温下并且在斯特林机冷端中制冷的流体被引导通过蒸发器的管道。在这种结构中，通过流经斯特林机所述热端的闭合回路中水的循环来实现斯特林机热端处热量的排除，该循环也通过安装在排热回路上的泵元件的作用来实现。
然而，这些已知的解决方案具有一些缺点，例如在该系统中采用热虹吸管作为工作原理，需要调准部件，例如管道和热交换器。
在已知的解决方案的情况中，该解决方案在端上使用散热片并通过气体进行热交换，其缺点在于事实上不可能获得高的传热能力。在所述的系统中，会很容易达到传热能力的饱和极限。这是由于散热片在其长度增加和/或相互之间的距离减小时的效率饱和，或者甚至是由于不可能找到具有足够能力以达到确定的传热能力所需的压力和流量水平的气体运动装置造成的。另外，这些解决方案导致制冷系统振动级的增加和可靠性的降低，这是存在大量的运动零件的结果。使用热管的已知方案还具有如下的缺点由于必须在蒸发区域外设置多孔材料而导致系统很高的压力损失，这种损失降低了远距离传热的能力。
发明目的因此，本发明的一个目的是提供一种使用一个斯特林机的制冷系统，该制冷系统可以实现环境的有效制冷，并避免了已知方案中存在的问题，例如低的传热能力、系统中的压力损失以及低可靠性。
本发明的另一个目的是提供一种如前所述的制冷系统，该系统减少了调准系统部件例如管道和热交换器的需要。
本发明的另一个目的是提供一种如前所述的系统，该系统具有最少的运动零件，降低了在制冷系统中出现振动的可能性。
发明内容
这些以及其它目的通过一种制冷系统实现，这种类型的系统包括一个斯特林机，该斯特林机具有一个加热部分和一个制冷部分；一个制冷室；一个第一热能传递设备，该设备可操作地与制冷部分及制冷室连接，以便通过循环流体由制冷室向制冷部分传热；一个第二热能传递设备，该设备可操作地与一个在所述斯特林机外部的热接收装置及其加热部分连接，以便通过循环流体由加热部分向热接收装置传热。
按照本发明，第一热能传递设备包括至少一个安装在制冷室中的毛细泵，以便通过从制冷室中吸收的热量、并通过毛细管的作用，蒸发在所述毛细泵中接收的循环流体，该毛细管作用是由所述流体流经毛细泵引起的；一个可操作地连接在斯特林机制冷部分上的冷凝器，以便冷凝从毛细泵接收的气态循环流体；以及以闭合回路传输循环流体的管道，从冷凝器到毛细泵循环流体为液态，而从毛细泵到冷凝器循环流体为气态。
下文中将参照附图对本发明进行描述，这些附图按照一个优选实施例的示例绘出，其中图1是本发明制冷系统的一个示意性立体图，图中斯特林机可操作地与被制冷的环境连接；图2是本发明制冷系统热能传递设备的结构的一个示意性立体图；图3是本发明毛细泵的第一结构的纵向剖面视图，该毛细泵由从被制冷环境中排除的热量来驱动；
图4、5和6分别是本发明毛细泵的第一结构沿图3中IV-IV、V-V和VI-VI剖开的横截面视图；图7是本发明毛细泵第二结构的某种示意性的局部剖切立体图，该毛细泵由从斯特林机加热部分所排除的热量驱动；图8是图7中示出的毛细泵第二结构的沿直径方向横截面视图；图9是将图7中毛细泵沿图8中IX-IX剖开的横截面视图，以及图10是将图7中毛细泵沿图8中X-X剖开的横截面视图。
具体实施例方式
本发明的制冷系统包括一个斯特林机1，例如使用一个线性马达这种类型的斯特林机，该线性马达可操作地与第一热能传递设备2和一个第二热能传递设备3连接，这两个热能传递设备中的一个可操作地连接在制冷室4上。在图示结构的例子中，第一热能传递设备2是与制冷室4连接的热能传递设备。
通常斯特林机1包括，一个加热部分1a和一个制冷部分1b，每个都可操作地连接在第一和第二热能传递设备2、3中的一个之上，如下文所述。
按照本发明，第一热能传递设备2包括在斯特林机1的制冷部分1b和制冷室4之间传递热能的第一循环流体，第二热能传递设备3包括在斯特林机1的加热部分1a和热接收装置之间传递热能的第二循环流体，第二循环流体通常为空气或者周围气体，第二热能传递设备3与斯特林机保持确定距离。
在实施本发明的一种方式中，第一和第二循环流体是相同的并且由包括乙醚、水和酒精在内的组中所选择的至少一种形成，但并不是排他地。应当指出其它类型的循环流体也是可能的，而不会改变本发明所要求保护的范围。
按照本发明，在第一和第二热能传递设备2、3的一个或两个中，设置至少一个毛细泵，该泵将在下文中描述，通过该泵流过相应的以液态形式接收的循环流体，该循环流体在经过所述毛细泵的过程中发生相变，由液态变为气态。所述第一和第二热能传递设备2、3中的每一个还包括一个相应的热交换器，在该交换器中从毛细泵来的相应的气态循环流体发生相变，变为液态。
按照本发明，第一热能传递设备2包括至少一个毛细泵10，该毛细泵10与制冷室4连接并且具有一个密封壳体11，该壳体上设置一个用于液态循环流体的入口11a，和一个用于气态循环流体的出口11b，出口11b与入口11a间隔布置，并且由一个多孔装置12与入口11a隔开，该多孔装置12放置在壳体11内，循环流体通过该多孔装置12沿其路径从多孔装置12的入口侧到达出口侧，同时通过蒸发以及在流体流经多孔材料而产生的压力损失的作用下从液态改变为气态，蒸发是由一个热源导致的，壳体11的一个区域暴露在该热源中，将多孔装置12的出口侧靠在多孔材料上安装，出口11b设置在该出口侧上。
在第一热能传递设备2中，热源由空气表示，该空气优选为以受压气流的形式通过制冷室4的内部，在该制冷室中安装毛细泵10或者毛细泵组件10，毛细泵或毛细泵组件由在被制冷环境中排除的热量驱动。在这种结构中，提供给毛细泵10的液态循环流体来自于一个形式为可操作地与斯特林机1制冷部分1b连接的冷凝器20的热交换器，并向所述制冷部分1b传递循环流体在毛细泵10中变为液态时吸收的热量，该冷凝器20使循环流体冷凝并使其以液态的形式返回毛细泵10的壳体11的入口11a。
正如图1和2所指出的，毛细泵10或者毛细泵组件，通过一对管道30、40连接在冷凝器20上，其中一个管道连接在入口11a上，用于输送每个毛细泵10中的液态循环流体，而另一个管道连接在出口11b上，用于输送每个毛细泵10的气态循环流体。
在图示的实施例中，第一热能传递设备2包括多个毛细泵10，这些毛细泵10相对于相应循环流体的闭合回路平行设置，并且安装在制冷室4之内，以便结合起来作为一个蒸发器，通过使用流经所述制冷室4的气流F的热量来蒸发循环流体。
在图2-6所示的结构中，每个毛细泵10具有由一个延长管道限定的壳体11，该壳体11由任何适当的材料制成并具有高的导热性，所述壳体11横向装入多个热交换散热片13中，这些散热片相互平行并相互隔开，一般以平行于被制冷的气流F的方向设置，该气流流经所述的由多个毛细泵10限定的所述蒸发器。
在所述的图2-6的实施例中，壳体11为一个延长管道的形式，该壳体具有一个限定入口11a的端部和一个限定循环流体出口11b的相对端部，所述入口11a和出口11b由一个多孔装置12隔开，该多孔装置12固定在壳体11的内侧上并且形成管状，具有一个邻近入口11a的开口端，用于接收多孔装置12内部的液态循环流体，还具有一个邻近壳体11的出口11b的封闭的相对端。多孔装置12的外径尺寸允许其相对于壳体11的内表面紧密地安装。
为了允许循环流体在沿径向通过多孔装置12的环状厚度的同时蒸发为气态，并允许所述流体能够继续沿其路径流过出口11b和管道40而流向冷凝器20，在多孔装置12和壳体11之间形成了纵向通道12a，该通道具有一个由多孔装置20自身封闭的靠近入口11a的端部，和一个通向出口11b的相对端部。
在图示的实施例中，通过在多孔装置12的外表面上设置相应的纵向沟槽而获得纵向通道12a。然而，应当理解所述沟槽也可以沿壳体11的内表面设置。
考虑到第一热能传递设备2的冷凝器20将热量由气态的循环流体向斯特林机1的制冷部分1b传递，优选地，该冷凝器20具有一个圆柱状环形壳体21，该壳体21具有一个位于制冷部分1b周围的内壁，这样能够通过传导作用向制冷部分传热。
冷凝器20的内部结构能够以不同的方式实现，只要允许在循环流体和斯特林机1的制冷部分1b之间获得有效的热交换即可。
总之，冷凝器20的壳体21上设置一个入口21a和一个出口21b，它们分别连接在管道30、40上，并且入口21a和出口21b在壳体21的内部通过任何连接方式例如装入热传导装置中的盘管相互连通，例如，液体同时与壳体21的内壁和连接装置直接接触，该连接装置将入口21a连接在出口21b上。
正如在第一热能传递设备2的蒸发器中已经提到的，冷凝器20应当具有壳体21和由具有高导热性的材料制成的内部部件，该材料能承受系统和所使用的循环流体的工作条件。
按照上面的描述，将第一热能传递设备2构造为通过只由一个蒸发器推进的循环流体从制冷室4中排除热量，第一热能传递设备2与一个冷凝器一起运行，其形式为平行毛细泵10的组件。冷凝器安装在斯特林机的制冷部分上，该斯特林机作为从被制冷环境中通过蒸发器排除的热量的吸收源而运行。
然而，斯特林机1的加热部分1a所产生的热量必须传递到一个外部装置，该装置能够吸收所述的热量。这是第二热能传递设备3的作用，该设备同样使用循环流体来吸收斯特林机的热量，并将所述的热量释放到空气或者周围气体中，正如上面已经提到的那样。
按照在图1、7、8、9和10中所示出的结构，第二热能传递设备3包括一个具有环形密封壳体51的毛细泵50，该密封壳体51上设置一个用于液态循环流体的外部入口51a，和一个用于气态循环流体的内部出口51b，出口51b与入口51a间隔布置，并且由一个多孔装置52与入口51a隔开，该多孔装置52同样为环形，放置在壳体51内，循环流体通过该多孔装置52沿其路径流动，同时通过蒸发以及在流体经过多孔材料而产生的压力损失的作用下从液态改变为气态，该蒸发是由一个热源导致的，该热源与圆柱状环形壳体51处于接触放置。
在上面提到的结构中，热源由斯特林机1的加热部分1a限定，并固定在加热部分1a的周围，与毛细泵50壳体51的内壁直接接触。将液态循环流体由冷凝器60提供到毛细泵50，该冷凝器60位于离斯特林机1一定距离处，以便向空气传热，这些热量是循环流体在毛细泵50中变为气态时吸收的，冷凝器60冷凝所述流体并允许其以液态返回毛细泵50壳体51的入口51a。循环流体流入管道70、80，这些管道分别将毛细泵50的入口51a和出口51b连接在冷凝器60的出口61b和入口61a上。
在图示的实施例中，第二热能传递设备3的毛细泵50具有一个入口51a，该入口沿径向设置并且在中部通向一个环形间隙52a，该环形间隙52a在多孔装置52和环形壳体51的外壁之间限定而成，其目的是将液态循环流体均匀地提供在多孔装置52的周围。通过将多孔装置52靠着壳体51的外壁放置，来封闭环形间隙52a的相对轴端。
在图示的结构性例子中，环形间隙52a通过在多孔装置52上设置一个外圆周凹槽而获得。然而应当理解，所述凹槽也可以设置在壳体51外壁的内表面上。
按照上面描述的结构，液态循环流体通过入口51a进入环形间隙52a中，穿过多孔装置52的厚度开始其向内的径向路径，同时蒸发为气态，然后所述流体继续沿路径通过出口51b并通过管道80，流向冷凝器60。为了这个目的，在多孔装置52和壳体51的内壁之间形成纵向通道53。所述纵向通道可以由位于壳体51内壁上的沟槽限定，并通过一个槽54在圆周方向上相互连通，该槽54的位置通常靠近多孔装置52两端部中的一个，并且其内部与出口51b连通。在图示的实施例中，槽54由在多孔装置52上设置的内部圆周凹槽限定。
壳体51的内壁的形状和尺寸便于其安装在斯特林机1的加热部分1a的周围，以便利用所产生的热量来蒸发到达纵向通道53的循环流体。热量通过传导作用由斯特林机1的加热部分1a向毛细泵50壳体51的内壁传递。
在第二热能传递设备3中使用的冷凝器60可以具有不同的结构，只要是适当的并能与毛细泵50的操作一致即可。
冷凝器60的一种可能的结构是用于第一热能传递设备2中蒸发器所使用的一种冷凝器。在这种情况中，冷凝器60包括多个管状壳体(图中未示出)，该壳体彼此平行并且横向装入多个热交换散热片63中。管状壳体具有一个限定用于气态循环流体的入口61a的端部，该入口61a连接在管道80上，还具有一个限定用于被冷凝的循环流体的出口61b的相对端部，在把热量传递到周围气体或者任何其它可用的热吸收装置中后，此时的循环流体已经为液态。
循环流体在每个管状壳体内流动，该循环流体将热量传递到外部，然后冷凝并返回毛细泵50中。
本发明的制冷系统还可以包括一个与每个热能传递设备连接的容器(图中未示出)，该容器通过相对于提供给本发明每个毛细泵10、50的给定量的热量，来调节在第一和第二热能传递设备2、3中的循环流体的量，以控制工作温度。各循环流体从相应的热能传递设备的热区向同一热能传递设备的冷区传热，是由于受到由表面张力差所产生的毛细管力的作用，该表面张力差与每个热能传递设备的温度差有关。
尽管图中没有示出，本发明的制冷系统可以进一步设置一个用于振动的动态抵消的系统，该系统使得向壳体和/或连接在所述斯特林机上的其它部件振动的传递最小化，该振动是由斯特林机1的线性马达的活塞往复运动产生的。这些部件安装在密封壳体内，该壳体用于支撑部件并提高容纳在此处的气体的压缩和膨胀冲程中所需的紧密性。
本发明的制冷系统通过毛细管力提供一个泵系统，该系统使得系统、管道和热交换器相互之间调准的难度最小化。由于具有低的压力损失，本发明的制冷系统还可以实现高的传热能力，从而可以在远距离上实现较高的传热能力。
除了上述的优点以外，由于不包含运动部件并避免了振动，本发明的制冷系统还可以实现高度的可靠性。
权利要求
1.一种制冷系统，其包括-一个斯特林机(1)，该斯特林机具有一个加热部分(1a)和一个制冷部分(1b)；-一个制冷室(4)；-一个第一热能传递设备(2)，其可操作地与制冷部分(1b)及制冷室(4)连接，以便通过循环流体由制冷室(4)向制冷部分(1b)传热；-一个第二热能传递设备(3)，其可操作地与一个在所述斯特林机外部的热接收装置及其加热部分(1a)连接，以便通过循环流体由加热部分(1a)向热接收装置传热，其特征在于，第一热能传递设备(2)包括至少一个安装在制冷室(4)中的毛细泵(10)，以便通过从制冷室(4)中吸收的热量、以及流体流经毛细泵产生的压力损失的作用，蒸发在所述毛细泵(10)中接收的循环流体；一个可操作地连接在斯特林机(1)的制冷部分(1b)上的冷凝器(20)，以便冷凝从毛细泵(10)接收的气态循环流体；以及在闭合回路传输循环流体的管道(30、40)，从冷凝器(20)到毛细泵(10)的循环流体为液态，而从毛细泵(10)到冷凝器(20)的循环流体为气态。
2.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，所述第二热能传递设备(3)包括一个可操作地连接在斯特林机(1)的加热部分(1a)上的毛细泵(50)，以便通过从所述加热部分(1a)中吸收的热量、以及流体经过毛细泵产生的压力损失的作用，蒸发接收在所述毛细泵(50)中的循环流体；一个可操作地与位于斯特林机(1)外部的热接收装置连接的冷凝器(60)，以便冷凝从毛细泵(50)接收的气态循环流体；以及在闭合回路传输循环流体的管道(70、80)，从冷凝器(60)到毛细泵(50)的循环流体为液态，而从毛细泵(50)到冷凝器(60)的循环流体为气态。
3.如权利要求1或2所述的制冷系统，其特征在于，毛细泵(10、50)包括一个壳体(11、51)，该壳体上设置一个用于液态循环流体的入口(11a、51a)，和一个用于气态循环流体的出口(11b、51b)，该出口(11b、51b)与入口(11a、51a)间隔布置，并且由一个多孔装置(12、52)与入口(11a，51a)隔开，该多孔装置(12、52)设置在壳体(11、51)内，由于多孔装置(12、52)两侧的压力差，通过所述压力损失的产生，循环流体通过该多孔装置(12、52)从其入口侧流到出口侧，同时通过蒸发，所述循环流体在多孔装置(12、52)的出口侧由液态变为气态，该出口侧暴露在从由制冷室(4)和斯特林机(1)的加热部分(1a)所限定的部分之一所接收的热量中。
4.如权利要求3所述的制冷系统，其特征在于，第一热能传递设备(2)的毛细泵(10)具有一个形式为延长管道的壳体(11)，该壳体(11)横向结合到多个热交换散热片(13)上并横贯其中，所述散热片以平行于被制冷的气流(F)的方向设置，该气流流经毛细泵(10)，壳体(11)的其中一端限定毛细泵(10)的入口(11a)，相对端限定毛细泵(10)的出口(11b)，多孔装置(12)为管状并具有通向入口(11a)的一端，以及邻近出口(11b)的相对的封闭端，在多孔装置(12)和壳体(11)之间还设置纵向通道(12a)，这些纵向通道(12a)具有邻近入口(11a)的封闭端和通向壳体(11)的出口(11b)的相对端，所述纵向通道引导已经为气态的循环流体流向壳体(11)的出口(11b)。
5.如权利要求4所述的制冷系统，其特征在于，纵向通道(12a)由设置在多孔装置(12)上的纵向沟槽限定而成。
6.如权利要求4所述的制冷系统，其特征在于，多个壳体(11)相互平行设置，结合到多个散热片(13)，并安装在制冷室(4)内。
7.如权利要求3所述的制冷系统，其特征在于，第二热能传递设备(3)的毛细泵(50)具有一个环形壳体(51)，该壳体(51)具有容纳入口(51a)的外壁和与出口(51b)相连的内壁，多孔装置(52)为环形并放置在壳体(51)内，从而靠在所述壳体(51)的内壁和外壁而放置，并进一步设有一个在多孔装置(52)和壳体(51)的外壁之间限定而成的环形间隙(52a)，入口(51a)通向该环形间隙；多个位于多孔装置(52)和壳体(51)的内壁之间的纵向通道(53)；以及一个在圆周方向上与纵向通道(53)相互连通的槽(54)，该槽通向壳体(51)的出口(51b)。
8.如权利要求7所述的制冷系统，其特征在于，环形间隙(52a)由设置在多孔装置(52)上的外圆周凹槽限定而成。
9.如权利要求7所述的制冷系统，其特征在于，槽(54)由靠近多孔装置(52)的端部中的一个所设置的内圆周凹槽限定而成。
10.如权利要求7所述的制冷系统，其特征在于，纵向通道(53)由设置在壳体(51)的内壁上的沟槽限定而成。
11.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，第一热能传递设备(2)的冷凝器(20)包括一个环形壳体(21)，该环形壳体(21)具有一个围绕斯特林机(1)的制冷部分(1b)而放置的内壁，以便通过传导作用向制冷部分(1b)传热，所述壳体(21)上设置一个入口(21a)和一个出口(21b)，它们分别连接在传输气态和液态循环流体的管道(40、30)上，所述入口(21a)和出口(21b)在壳体(21)的内部相互连通。
12.如权利要求2所述的制冷系统，其特征在于，第二热能传递设备(3)的冷凝器(60)包括多个管状壳体，该管状壳体相互平行并横向结合到多个散热片(63)，所述壳体具有一个限定连接在管道(80)上的入口(61a)的端部，和一个限定连接在管道(70)上的出口(61b)的相对的端部，所述管道(80)传输气态循环流体，所述管道(70)传输液态循环流体，所述管状壳体和所述散热片(63)向安装冷凝器(60)的环境传热。
全文摘要
一种制冷系统，其包括一个斯特林机(1)；一个制冷室(4)；一个可操作地连接在斯特林机的制冷部分(1b)及制冷室(4)上的第一热能传递设备(2)；一个可操作地连接在所述斯特林机外部的热接收装置及其加热部分(1a)的第二热能传递设备(3)，第一热能传递设备(2)包括至少一个安装在制冷室(4)中的毛细泵(10)，以便通过从制冷室(4)中吸收的热量来蒸发接收在所述毛细泵(10)中的循环流体；一个可操作地连接在斯特林机(1)的制冷部分(1b)上的冷凝器(20)，以便冷凝由毛细泵(10)接收的气态循环流体；以及以闭合回路在毛细泵(10)和冷凝器(20)之间传输循环流体的管道(30、40)。
文档编号F25B39/00GK1668882SQ03816831
公开日2005年9月14日 申请日期2003年7月15日 优先权日2002年7月16日
发明者R·H·佩雷拉, R·马科特 申请人:巴西船用压缩机有限公司