用于控制流体温度的装置的制作方法

专利名称：用于控制流体温度的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过加热和/或冷却控制流体温度的装置。
背景技术：
在这里，术语“流体”指的是气体和液体两者。有许多装置，其中流体温度需要升高和/或降低。一些例子包括“白色商品”，如制冷器和洗衣机；建筑物或车辆中的空气调节器；以及许多工业过程。
例如空气调节器、冰箱和制冷器中的常规冷却单元依赖于工作流体的压缩以及随后的绝热膨胀。氟利昂是一种合适的工作流体。当然，这种常规技术应用广泛，并且毋庸置疑很有效，但也有很重要的问题。通常由于其在压缩/膨胀循环(通常称为CFCs)中的有效性而选定的工作流体被认为是重要的温室气体。在生态上需要放弃对它们的使用。还需要放弃给工作流体加压所需的泵压机械。
尽管本发明在许多领域都有潜在的应用，但其中一种重要的潜在用途涉及空气调节器中空气温度的调节。在这里，术语“空气调节器”指的是传送空气流并具有用于冷却和/或加热所传送的空气的装置的设备。常规的空气调节单元通常借助于工作流体的绝热膨胀来工作，且将被冷却的工作流体提供到热交换器，空气在风机的作用下经过该热交换器。当然，这种调节器通常在温度调节装置的控制下并在必要时利用额外的加热空气的设备而广泛应用于调节建筑物、车辆等中的空气。
但是，常规的空气调节器并不能很好地适用于某些应用。它们需要用于使空气流通的风机和作用在工作流体上的泵。它们运行的结果可能产生一定程度的噪声以及振动，而这在某些应用，特别是那些需要较小空气吞吐量的应用中是不能接受的。特别地，还有一些应用中需要将小空气流提供到人的近身区域，例如在气候控制的就寝或就座情况下。这些应用涉及到温度受到调节的空气在闭合系统内的循环。US4853992(YU)提供了一种座垫的例子，该座垫通过循环通过形成所述座垫本身的密闭外壳的空气而被冷却/加热。可选地，受到调节的空气可以释放到人的环境中，从而在他/她的近身区域中提供受到调节的空气。在这两种情况下，空气调节单元通常靠近用户安装，使噪声和振动最小就格外重要。
作为依赖于绝热流体膨胀的冷却装置的一种替代方案，已知使用固态热电装置。与该目的最相关的一种装置也称作“珀耳帖”装置，并且起到热泵的作用。这种装置的可广泛商用的例子被形成为夹层结构，其中两个外部陶瓷板绕小的碲化铋元件阵列布置。当DC电流施加到这些“热泵垫”阵列上时，该装置起到将热从一个板泵送到另一板的作用。通过将热从要热被泵送到其上的板吸收，这种装置可用于在另一板上施加冷却效应。固态装置具有重要的优势。它们结构紧凑并且没有活动部件产生噪声或振动。热在装置的板之间的泵送方向可以通过简单地使施加到它们的DC电流反向而反向，因此，同一个装置既可以用于加热又可以用于冷却。
法国在先专利FR 2594668(Chareire)公开了一种在睡眠时使用的空气调节系统，其使用“珀耳帖效应新空气发生器”来向睡眠者头上的封腔提供空气。它依赖于风机使空气流通。GB990668(Malaker实验室公司)涉及这样一种制冷系统，其中珀耳帖装置以串联的方式使用，以获得非常低的温度。被冷却的空气在压缩和膨胀器缸体之间循环，经过珀耳帖装置。JP4265482(Kinoshita Masahiko等)公开了在空气通路中设置具有辐射翅片的珀耳帖元件，以冷却进入缸体的空气。EP0672831(Isco)涉及一种用于超临界流体抽吸的装置，其使用热电元件来冷却泵装置。US5242403公开了一种用于分配麻醉流体的计量泵。该装置具有由珀耳帖装置冷却的活塞/缸体装置，并且还具有由另一珀耳帖装置冷却的分离的储存器。
在这些现有技术的装置中，有一些使用往复泵来提供流体吞吐的例子。其中，珀耳帖装置冷却泵的缸体以便冷却被泵送的流体。缸体的内壁必须光滑并且没有提供与流体热交换的理想装置。

发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于控制流体温度的装置，包括流体入口、流体出口以及往复排量式泵装置，该泵装置布置成通过入口吸入流体并通过出口排出流体，其中所述泵装置经由调节腔与入口和出口之一连通，流体在从入口到出口的路径上经过所述调节腔，并且在所述调节腔内实施流体温度控制，所述装置还包括至少一个固态热电式热泵，其具有与调节腔内的流体热连接的第一侧和布置成将热传递至热沉或接收来自热源的热的第二侧，使得通过该热电式热泵，调节腔壁以及调节腔内的流体的温度是可控制的。
使用泵装置推进流体通过分离的调节腔使得可以按下述方式形成该腔的内部，即其促进与流体的热交换。调节腔的内部可成形为提供高表面积以用于热交换。
优选的实施例包括调节腔内的热交换特征，所述热交换特征具有暴露给调节腔内的流体的表面，以与流体进行热交换，所述热交换特征还与所述热电式热泵热连接以与之进行热交换。该特征毋庸置疑促进了流体与热电式热泵之间的热交换。它们可以包括翅片。优选地，它们与调节腔壁一体地形成。
泵装置优选地包括缸体和往复活塞。
在结构方便的实施例中，缸体为圆形，所述调节腔为围绕所述缸体并与之同心的大体环形或半环形空腔。
调节腔壁绕所述缸体的至少一部分布置，所述调节腔限定在所述缸体的外表面和所述调节腔壁的内表面之间。
在本发明的装置用于冷却的情况下，它优选地包括热沉，其布置成接收来自所述热电式热泵的第二侧的热。在这一实施例中，热沉形成围绕所述调节腔壁的罩。
在本发明的特别优选的实施例中，缸体被活塞分成第一和第二工作腔，使得沿一个方向的活塞运动将流体抽吸到第一工作腔中并从第二工作腔中排出，沿相反方向的活塞运动将流体从第一工作腔中排出并将流体抽吸到第二工作腔中，所述单元还包括阀装置，其选择性地将任意时刻正排出流体的任一个工作腔连接至泵出口，从而提供通过出口的单方向流。
优选地，每个工作腔与布置成从该腔排出流体并连接至出口的相应单向阀连通。更优选地，每个腔另外与布置成允许流体进入该腔的相应的单向阀连通。
原则上，两个工作腔都可以供给单个调节腔。但是，优选地，本发明的装置包括第一和第二调节腔，其分别可与缸体内的第一和第二工作腔连通。
方便地，所述第一和第二调节腔一起形成围绕缸体的环。这可以通过下述结构实现，在该结构中，第一和第二调节腔两者都限定在缸体和调节腔壁之间。
往复式泵可能造成很大的振动，但事实上对于其中流体吞吐量需求较小并且泵内的工作容积足够大的情况，泵的往复部件以及它们运动的频率可以足够小以至于产生很小的振动和噪声。
根据本发明的第二方面，提供了一种流体冷却装置，其包括往复排量式泵以及与冷却腔相连用以在流体通过冷却腔时冷却它的至少一个固态热电式热泵，该往复排量式泵布置成使流体单方向地经由至少一个冷却腔从入口到出口流通。


现在将仅通过例子并参考附图描述本发明的具体实施例，附图中图1是依据本发明构造的流体温度控制装置的轴向示意性剖视图；图1a是图1所示的装置的径向示意性剖视图；图2是依据本发明构造的另一流体温度控制装置的主要部件的分解视图；
图3显示图2所示装置沿轴向平面的剖视图；图4显示同一装置沿径向平面的剖视图；图5是同一装置的外部的透视图；图6显示同一装置的端板的平面图；和图7显示用在所述装置中的球阀的轴向剖视图。
具体实施例方式
图1是具体实施本发明的装置的稍微简化的视图，其用于图示一些相关原理。该装置10为独立整体式，包括使流体循环的泵和用于调节流体的热交换装置。
泵为反复排量式，具有活塞12，其容纳在缸体14中，活塞12与缸体14形成密封但滑动配合。活塞通过延伸穿过缸体并且借助于相应的端帽18、20支撑在缸体的相对两端中的导螺杆16以低速往复驱动。电动马达22通过传动装置驱动导螺杆16。在本实施例中，当活塞到达其行程末端时，活塞的运动方向通过使马达22的旋转方向反向而反向。对于本领域普通技术人员来说，实现这一点的适当装置是显而易见的，例如设置一对微型开关，其布置成在活塞到达其行程相应末端时由活塞致动并连接至马达控制电子器件。导螺杆被接收在活塞12中的轴向贯穿螺纹孔中，借此导螺杆的旋转运动转换成活塞的直线运动。当然，必须防止活塞12与导螺杆一起旋转，但活塞与缸体之间的摩擦通常足以确保这一点。对本领域普通技术人员来说显而易见的是，在其它实施例中也可以采用其它装置来反复驱动活塞，例如使用曲柄或偏心驱动装置。
尽管活塞运动的方向反向，泵需要提供单方向的空气流。活塞将其缸体14分成一对工作腔26、26′。一对单向阀30、32和30′、32′与每个工作腔连通。与给定工作腔连通的两个阀相反地定向。即，该对阀中的一个阀布置成允许空气进入相应工作腔，另一阀布置成将空气从中排出。两个进气阀30、30′连接至空气调节单元的共同的空气输入端，其示意性地用34表示。两个排气阀32、32′连接至装置的共同的空气排气端，其示意性地用36表示。不管活塞运动的方向如何，总有一个工作腔26或26′通过共同的排气端36及其排气阀32或32′排出空气，而另一腔26′或26通过共同的入口端34及其阀30′、30接收空气。这样，阀确保了流体单向且(除了活塞的反复运动中当活塞静止时的短暂时间外)连续的吞吐。但是，在其它实施例中，两个入口和两个出口不必连在一起。相反，它们可以通向不同的流体源和/或使用点。特别地，可以提供从出口到入口的流体循环，以允许流体经历多个冷却阶段，从而达到特别低的温度。
应注意，缸体14容纳在圆柱形外壳体38内，并且流体通过进气阀30进入到工作腔26的通路经由限定在缸体14和壳体38之间的半环形腔40。类似地，流体通过进气阀30′进入到工作腔26′的通路经由半环形腔40′。两个半环形腔40、40′沿缸体长度延伸并由纵向分隔壁42、44分隔，所述纵向分隔壁42、44在图2中可见，位于包含缸体轴线的同一个平面内。这种布置的结果是，向工作腔26进气的进气阀30处于缸体相对于该腔的远端处，类似地，进气阀30′处于缸体相对于进气阀30′为之进气的工作腔26′的远端处。
半环形腔40、40′可以称作“调节腔”，原因是正是在它们内部借助于固态热电装置50、50′通过冷却和/或加热实施对流体的调节。一组相应的热电装置位于两个腔40、40′内，位于给定腔内的这些装置连接至共同的供电/电控设备。这些装置以半圆形方式布置在调节腔内。由于腔的长度以及较低的空气吞吐量，空气在热电装置附近的驻留时间很长。例如基于输出空气的温度的温度控制设备可以操作热电装置的供电。通过使提供给热电装置的DC供电反向，可以使所述单元加热空气而不是冷却它。可以在泵的工作腔或其出口中使用热敏电阻来探测输出空气的温度。
图2到7示出本发明的第二物理实施例的更多的构造细节。该实施例的许多主要部件在图1和1a的装置中有对应，在整个说明书中相同的附图标记用于这些部件。在第二实施例中，活塞12再一次借助于电动马达22通过导螺杆16驱动。还借助于穿过活塞的导杆100与螺杆的摩擦而防止活塞旋转，从而活塞与缸体形成密封配合。缸体14带有位于活塞的相对两侧上并在共同的轴向平面内的分隔壁42、44。在本实施例中，调节腔40、40′通过绕缸体定位的一对半环形罩102、102′形成。这些罩由导热材料，优选地由金属形成。它们均具有调节腔壁部104、104′，其在径向外表面上带有相应珀耳帖型固态热电式热泵装置堆50、50′。每个壁部104、104′的径向内表面设有用于促进与相应调节腔内的流体之间的热交换的特征。与光滑的圆柱表面的情况相比，这些特征用于增加可用于热交换的表面积。在本实施例中，它们为翅片106、106′的形式，这些翅片与腔壁104、104′一体形成并沿轴向延伸。其效果是在每个调节腔内形成一组窄通道以用于吞吐流体，在该窄通道内热交换得到强化。
在装置用于冷却的情况下，热从流体传递到调节腔壁104、104′，由此被热泵装置50、50′泵送，所述热泵装置安装在腔壁上并与之热连接。为了散掉该热，装置的外壳体形成为热沉。该壳体被构造成两个壳体半部108、108′并绕半环形罩102、102′组装，从而形成调节腔。其最内层表面为圆柱形，其外表面由一组翅片112、112′形成，从而提供与大气进行热交换的表面积。如果必要，翅片可用于在翅片上提供空气流。
需要将热从热泵装置50、50′的最外层垫传导到外部热沉的路径，在本发明中，这通过其径向内表面与热泵装置的最外层表面热连接的半环形调节罩114、114′提供。导热罩在它们的径向外表面上带有一体的导热叶片116、116′，其在本实施例中形成为在圆周上延伸的环，用于将热传导到形成热沉的壳体半部108、108′。
通过端板18、20中的凹部提供使空气流入、流出装置的腔或在腔之间流动，端板之一本身在图6中示出。轴向的贯穿孔120、120″用于允许流体进入相应的缸体工作腔(见图3)并接纳单向阀(其在图3中省略，但将在下面描述)。需要导管将缸体中的每个工作腔26、26′连接至与其相关的调节腔，这通过形成在端板中并定位成与相应腔连通的半环形凹部124来提供。从调节腔的流体出口通过“C”形凹部130以及从凹部延伸的径向孔132，所述凹部130定位成仅与相应的调节腔连通，所述径向孔132螺纹拧接地接纳单向出口阀(在图6中未示出，但在图7中示出)。端板18、20由隔热材料，具体地塑料形成，以使从外部热沉108、108′到内部部件的热传递最少。
为了完整性，图7显示了一种合适的单向阀，尽管其结构是常规的并且本领域普通技术人员当然也了解各种其它的合适的阀装置。阀140具有受约束地容纳在中空的圆形阀壳体144中的球142，阀壳体144提供阀入口146和出口148。球能在阀座150与止动肩部152之间前后运动，当有必要防止流体回流时，阀抵靠球座形成密封，球能抵靠在止动肩部上而不会妨碍向前的流体流。
所示的装置非常适于用作空气调节单元，在这种情况下，它排出的调节空气可以提供给控制气候的床或座椅。输入空气可以来自于普通的环境或者可选地，空气可以从床或座椅再循环。本发明还可应用于制冷领域。来自上述空气调节单元的冷却的空气输出可以供给到冰箱、制冷器的抽屉和冷却器抽屉等，以提供必要的冷却效果。可选地，上面描述以及这里所显示的相同的总体构造可用在用于冷却要提供给制冷抽屉的热交换器的液体或气态工作流体的装置中。装置的入口和出口可以连接至所述热交换器并使工作流体在其中循环。
实际上，具体实施本发明的装置具有各种可能的用途。水冷却就是其中之一。过滤器可以布置在流体流动路径中，以去除诸如水污染物的杂质。可以在受控的温度下在装置内的流体上实施电解。在铀的再处理中，需要流体温度调节，在这方面可应用本装置。
权利要求
1.一种用于控制流体温度的装置，包括流体入口、流体出口以及往复排量式泵装置，该泵装置布置成通过入口吸入流体并通过出口排放流体，其中所述泵装置经由调节腔与入口和出口之一连通，流体在从入口到出口的路径上经过所述调节腔，并且在所述调节腔内实施流体温度控制，所述装置还包括至少一个固态热电式热泵，其具有与调节腔内的流体热连接的第一侧和布置成将热传递至热沉或接收来自热源的热的第二侧，使得通过该热电式热泵，调节腔壁以及调节腔内的流体的温度是可控制的。
2.如权利要求1所述的装置，包括位于调节腔内的成形热交换特征，所述热交换特征具有暴露给调节腔内的流体以与流体进行热交换的表面，所述热交换特征还与所述热电式热泵热连接以与之进行热交换。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述调节腔具有导热壁，所述导热壁的内部暴露给流体，所述热电式热泵安装在所述调节腔壁的外部并与之热连接。
4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述热交换特征包括翅片。
5.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述热交换特征与所述调节腔壁一体形成。
6.如权利要求4或5所述的装置，其特征在于，所述翅片在所述调节腔内沿流体流动方向延伸。
7.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述泵包括活塞和缸体。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述缸体为圆形，所述调节腔为围绕所述缸体并与之同心的大体环形或半环形空腔。
9.如权利要求7或8所述的装置，其特征在于，前述调节腔的导热壁绕所述缸体的至少一部分布置，所述调节腔限定在所述缸体的外表面和所述调节腔壁的内表面之间。
10.如前述权利要求中任一项所述的装置，还包括热沉，其布置成接收来自所述热电式热泵的第二侧的热。
11.如权利要求7、8或9所述的装置，还包括热沉，其布置成接收来自所述热电式热泵的第二侧的热并形成围绕所述调节腔壁的罩。
12.如权利要求7、8、9或11所述的装置，其特征在于，所述缸体被活塞分成第一和第二工作腔，使得沿一个方向的活塞运动将流体抽吸到第一工作腔中并从第二工作腔中排出，沿相反方向的活塞运动将流体从第一工作腔中排出并将流体抽吸到第二工作腔中，所述单元还包括阀装置，其选择性地将任意时刻正排出流体的任一个工作腔连接至泵出口，从而提供通过出口的单方向流。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，每个工作腔与相应的单向阀连通，所述单向阀布置成从该腔排出流体并连接至出口。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，每个腔另外与布置成允许流体进入该腔的相应的单向阀连通。
15.如权利要求12-14中任一项所述的装置，包括第一和第二调节腔，其分别与缸体内的第一和第二工作腔连通。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述第一和第二调节腔一起形成围绕缸体的环。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述第一和第二调节腔都限定在缸体和调节腔壁之间。
18.如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述第一和第二调节腔通过位于包含缸体轴线的平面内的分隔壁彼此分隔开。
19.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述泵装置包括导螺杆，其与活塞螺纹接合以便往复地驱动活塞。
20如前述权利要求中任一项所述的装置，该装置是空气调节装置。
21.一种床或座椅，包括如权利要求20所述的空气调节装置。
22.一种制冷单元，其设有根据权利要求1-19中任一项所述的装置。
全文摘要
本发明涉及一种通过加热和/或冷却控制流体温度的装置。它包括反复排量式泵装置(12，14)，其将流体从出口(34)经由调节腔(40，40′)推进到出口(36)，流体温度控制在所述调节腔内通过优选地为珀耳帖型的热电式热泵(50，50″)实施。
文档编号F24F5/00GK101036027SQ200580030374
公开日2007年9月12日 申请日期2005年9月12日 优先权日2004年9月11日
发明者P·伯恩斯 申请人:舒雅世界有限公司