专利名称：一种由气流介导的制冷装置及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种由流动的冷空气介导的制冷装置及其应用。
背景技术：
制冷是指用人工的方法在一定时间和一定空间内将某物体或流体冷却，使其温度降到环境温度以下，并保持这个低温的过程，包括蒸气压缩式制冷、蒸气吸收式制冷、蒸气喷射式、吸附式制冷、热电制冷、气体膨胀制冷、绝热放气制冷和气体涡流制冷等制冷方法。机械制冷中所需机器和设备的总合称为制冷机。制冷机中使用的工作介质称为制冷剂。制冷剂在制冷机中循环流动，同时与外界发生能量交换，即不断地从被冷却对象中吸取热量，向环境排放热量，而使局部温度降至低于环境温度，达到制冷目的。目前常用的制冷剂包括含氟类和不含氟类两种。含氟类制冷剂，如氟里昂易造成大气的臭氧层变薄甚至产生空洞，污染环境，已在全球停止或限制使用。另一类不含氟的制冷剂，如R417A，在市场上使用广泛，但价格昂贵。除制冷剂外，制冷过程还需消耗大量的能量，有机械能、电能、热能、太阳能等。因此，如何研制一种新型的成本低廉、环境污染轻或无污染的方法，是目前亟待解决的问题。地球的表面包着一层厚厚的大气层，在垂直方向上可以粗略分为对流层、平流层、中气层、增温层。在对流层(约从地表到12-18千米高处)内，愈往高处愈冷，大约每升高100米，温度平均就下降0.65℃，在3千米高处的气温达零度以下，因此如以高空冷空气作为制冷剂，则既可做到成本低廉，又可不导致环境污染。
发明内容
本发明的目的是提供一种由流动的冷空气介导的制冷装置及其应用，特别是将高空冷空气引入近地面的位置，通过流动与地面的热空气进行热交换，降低地面的局部热气体或液体的温度，产生制冷效果。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案本发明为一呈两端开口并且开口端向上呈开放式管道结构的气体或液体流动制冷装置(简称流动制冷装置)，两开口端与外界空气相通。流动制冷装置包括入口、降支、底段、升支、出口和冷空气。流动制冷装置入口为外界冷空气进入流动制冷装置的开口，与开口相连接的是降支，即流动制冷装置的气流下降侧，与降支相对应的另一侧是流动制冷装置的升支，即流动制冷装置的气流上升侧，向上连接的是流动制冷装置出口，气流通过出口进入外界空气；降支与升支底部由流动制冷装置的底段密闭相连接。其中升支内装有热交换装置，热交换装置的入口与待冷却气体或液体的输入管道相连，出口与制冷后气体或液体的输出管道相连。流动制冷装置的降支、底段、升支和待冷却气体或液体的输出管道的外壁均为隔热结构。降支和升支隔热外壁之外为带动流动制冷装置向上浮动并保持其在空中位置的气囊。与升支内的热交换装置相连的输入管道接有推动气体或液体在热交换装置内流动的驱动装置。当与升支内的热交换装置相连的气体或液体流动驱动装置开启时，热气体或液体经热交换装置输入管道进入热交换装置与经流动制冷装置入口、降支、底段，而进入升支的来自于高空的冷空气进行热量交换、制冷，冷却后的气体或液体经输出管道送至制冷终端。由于流动制冷装置升支内的热量交换，使升支内的空气温度升高，结果降支和升支之间形成温差，热气上升，从而驱动流动制冷装置内的气体经流动制冷装置入口、降支、底段、升支和流动制冷装置出口、高空冷空气之间循环流动，保持升支内的热交换装置不断地与冷空气交流，维持其制冷功能。
流动制冷装置的高度选择1000米至15000米，优选2000米至10000米，更优选2000米至8000米。流动制冷装置壁优选气囊样结构，在气囊内装有质量比空气轻的气体，如氦气、氢气等。流动制冷装置两端通过管壁气囊的浮力升空并维持其高空位置。流动制冷装置升支热交换部位选择其升支的全部，优选自下而上1/100至1/2段，更优选自下而上1/100至1/4段。流动制冷装置气流上升侧热交换气体腔内装有的热交换装置包含有一个或多个待制冷的热气体或热液体的入口和一个或多个冷却气体或冷却液体的出口，并通过管道与制冷终端相连。
所述的流动制冷装置入口和出口位于同一气体空间内，并且所述的气体空间是一与空中大气相通的开放式结构，入口和出口位于可同一水平面，也可位于不同的水平面，如出口高于入口或入口高于出口。
为了更有效地启动高空冷空气在流动制冷装置内循环流动，开启制冷时首先向热交换装置内输入温度高于地面温度的气体或液体，使流动制冷装置升支与降支之间形成温差，带动高空冷空气进入流动制冷装置，从而启动冷空气循环。
为了更有效地降低高空冷空气向地面流动时同地面热气的温度交换，保持其低温状态，在流动制冷装置的降支、底段、升支和待冷却气体或液体的输出管道外壁的隔热结构材料包括但不限于聚乙烯保温板、玻璃纤维保温板、陶瓷纤维保温板、石棉保温板、棉花、橡塑海绵。
热交换装置与流动制冷装置气体腔内的流动气体为相互隔离状态，除热量之外，无气体或液体交流。热交换装置采用热交换性能良好的材料包括但不限于铜、铝及其合金和热交换性能良好结构，包括但不限于叶片式、板式、微孔式、螺旋管式。
热交换装置与推动待进行热交换的气体或液体流动的推动装置相连。所述的推动装置，其能量来源为太阳能、风能、电能、机械能、热能等。为了节约能量，降低使用成本，其能量来源优选太阳能和风能，其次为电能、机械能、热能等。
本发明由于采用了上述设计，来自于高空的冷气流通过流动制冷装置的降支和底段，进入升支。在升支内，与位于其中的含有流动的热气体或液体的热交换装置进行热量交换，使来自于高空冷气流的温度上升，使流动于热交换装置内的热气体或液体温度下降，结果流动制冷装置的升支高空冷气流温度升高，与流动制冷装置的降支的高空冷气流形成温差，驱动流动制冷装置内的气体经降支、底段、升支和高空冷空气之间形成循环流动，而地面热气体或液体经能量驱动，流经热交换装置，使温度下降，产生制冷作用。
本发明具有结构简单、使用方便、且使用成本极低、无环境污染等特点，是一种有效制冷方法，适用于空调制冷、冷冻、冷藏等多个领域，具有良好的应用前景。
下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明
图1本发明结构示意2为实施例液体循环结构示意3为实施例气体循环结构示意图具体实施方式
实施例一、本发明结构模型的制作如图1所示，本发明为一U形结构，包括U形结构入口1、降支2、底段3、升支4和U形管出口5、高空冷空气6。其中升支4内装有热交换装置7并与待冷却气体或液体的输入管道8和输出管道9相连，降支2、底段3、升支4和待冷却气体或液体的输出管道9的外壁10均为隔热结构，降支2和升支4隔热外壁10之外为带动U形管向上浮动并保持其在空中位置的气囊11。与热交换装置7相连的输入管道8皆有气体或液体流动驱动装置12。当气体或液体流动驱动装置12开启时，热气体或液体经输入管道8进入热交换装置7与经U形管入口1、降支2、底段3，进入升支4的高空冷空气6进行热量交换制冷，然后经输出管道9送至制冷终端13。由于U形管升支4内的热量交换，降支2和升支4之间形成温差，驱动U形管内的气体经U形管入口1、降支2、底段3、升支4和U形管出口5、高空冷空气6之间循环流动。
实施例二、本发明以液体为介质的循环实验1)实验材料塑料管、螺旋状金属散热管、水泵、温度计、冰块、实验支架、水槽。
2)实验装置的制备制备高2米实验支架，将长2.2米、外径10厘米的塑料管以U形状固定于实验支架上，使其高度为2米。在U形塑料管上升段内腔距试验台50厘米的位置安装螺旋状金属散热管。将散热管的底部端口通过管道与水泵的出水口相连，散热管的顶部端口通过管道与下水池相连。U形塑料管上端的两个开口与同一水槽相连通，水槽内盛有水。U形塑料管装满经室温平衡的水。启动水泵并控制其流速，观察并记录当顶部水槽内盛有经冰块冷却的水后，螺旋状金属散热管入口处和出口处的水的温度，并于顶部水槽内盛有经室温平衡的水比较(图2)。
3)实验结果当顶部水槽内盛有经冰块冷却的水时，启动水泵30分钟后，螺旋状金属散热管入水口温度为45℃，出水口温度为12℃。当顶部水槽内盛有经室温(25℃C)平衡的水时，启动水泵30分钟后，入水口温度为45℃，出水口温度为29℃。
实施例三、本发明以气体为介质的循环实验1)实验材料塑料管、叶片状散热器、风扇、温度计、干冰块、实验支架、塑料箱。
2)实验装置的制备制备高5米实验支架，将长5.5米、外径20厘米的塑料管以U形状固定于实验支架上，使其高度为5米。在U形塑料管上升段内腔距试验台2米处的位置安装叶片状散热器。将叶片状散热器的底部端口通过管道与风扇的出风口相连，叶片状散热器的顶部端口通过管道与外界相连。U形塑料管上端的两个开口与同一呈部分开放式塑料气体箱相连通，塑料箱内盛有干冰块。U形塑料管装满未经干冰制冷的空气。启动风扇并控制其风速，观察并记录当顶部塑料箱内盛有经干冰制冷的空气后，叶片状散热器入口处和出口处的空气的温度，并于顶部塑料箱内盛有未经干冰制冷的空气比较(图3)。
3)实验结果当顶部部分开放式塑料气体箱内盛有经干冰制冷的空气时，启动风扇30分钟时，叶片状散热器入风口温度为45℃，出风口温度为22℃。当顶部部分开放式塑料气体箱内盛有未经干冰制冷的空气(26℃)时，启动风扇30分钟时，入风口温度为45℃，出风口温度为32℃。
实施例四、本发明以气体为介质的隔热处理循环实验1)实验材料聚乙烯保温板、铜质螺旋管状散热器、离心电风扇、温度计、液氮、实验支架、泡沫塑料保温箱，家用电热吹风器。
2)实验装置的制备选择高20米高实验支架，采用聚乙烯保温板制备长20米、外径68厘米的圆管两根，固定于实验支架上，使其高度为20米，底部采用聚乙烯保温相连，形成20米高的U形管。在U形管上升段内腔距U形管底部2米处的位置安装铜质螺旋管状散热器。将散热器的一端端口通过管道于两台排风量为600立方米/小时离心电风扇的出风口相连，散热器的另一端端口通过管道与外界相连。U形管上端的两个开口与同一呈开放式泡沫塑料保温箱相连通，通过向泡沫塑料保温箱内加入液氮使其空气温度降低。实验未启动时U形管内空气温度与环境温度相同(图4)。
3)实验方法与结果实验启动时记录环境温度为20℃，向位于顶部的泡沫塑料保温箱内加入液氮，使箱内的温度下降。启动风扇并用家用电热吹风器向离心电风扇入风口处吹入热风，观察顶部与泡沫塑料保温箱相连的U形管入口和出口空气的流向，当出现冷空气经U形管入口向U形管降支流动时，记录两侧的温度为U形管上升段出口23℃，U形管下降段入口15℃。立即停止用家用电热吹风器向离心电风扇入风口处吹入热风，保持风扇运行。风扇运行15分钟时，观察并记录温度为U形管上升段出口15.5℃，U形管下降段入口3℃，U形管底部7.5℃，离心电风扇入风口20℃，铜质螺旋管状散热器出风口11℃。风扇运行30分钟时，观察并记录温度为U形管上升段出口10.5℃，U形管下降段入口0℃，U形管底部4℃，离心电风扇入风口20℃，铜质螺旋管状散热器出风口6.5℃。风扇运行60分钟时的结果与30分钟相似，铜质螺旋管状散热器出风口温度为6℃。风扇运行期间顶部泡沫塑料保温箱一直装有液氮。
实施例五、本发明隔热材料的保温实验1)实验材料聚乙烯保温板、玻璃纤维保温板、陶瓷纤维保温板、石棉保温板、棉花、市售塑料密封袋、热水。
2)实验方法与结果将上述保温材料分别制成袋状，向袋内套入市售塑料密封袋，插入温度计，加热水至75℃，快速向每一袋内加入150克热水，迅速封口，记录温度和时间。以没有保温套的市售塑料密封袋为对照。室温为21℃。结果见表1。
表1、不同保温材料的保温效果(℃)
实施例六、本发明隔热材料的保温实验1)实验材料橡塑海绵、塑料管、电热吹风器、温度计、离心风机。
2)实验方法与结果取内径为5厘米、壁厚3厘米橡塑海绵保温管20米，插入直径为3厘米的塑料管，将塑料管与离心风机出风口相连，启动风机，启动电热吹风器并置热风出口于离心风机入风口处，测量并记录橡塑海绵保温管入风口与出风口温度。结果实验启动30分钟后，入风口温度为63℃，出风口温度为55℃，环境温度为20℃。
权利要求
1.一种由流动的冷空气作为制冷剂介导的制冷装置，包括1)呈两端开口并且开口端向上呈开放式管道结构的气体或液体流动装置；2)分为入口、降支、底段、升支和出口及冷空气3)升支内装有热交换装置4)热交换装置接有气体或液体的输入管道和输出管道5)入口、降支、底段、升支和出口的外壁及热交换装置输出管道外壁由隔热材料构成6)热交换装置输入管道接有推动气体或液体在热交换装置内流动的驱动装置。
2.根据权利要求1所述的制冷装置，其特征在于制冷剂为冷空气。
3.根据权利要求1所述的制冷装置，其特征在于所述的流动制冷装置入口和出口位于同一气体空间内，并且所述的气体空间是一与外界大气相通的开放式结构。
4.根据权利要求3所述的制冷装置，其特征在于所述的流动制冷装置入口和出口位于同一水平面。
5.根据权利要求3所述的制冷装置，其特征在于所述的流动制冷装置入口和出口位于不同水平面。
6.根据权利要求1所述的制冷装置，其特征在于开启制冷时首先向热交换装置内输入温度高于所述的流动制冷装置降支内气体或液体的温度，使流动制冷装置升支与降支之间形成温差。
7.根据权利要求1所述的制冷装置，其特征在于所述的流动制冷装置壁优选气囊样结构，在气囊内装有质量比空气轻的气体，包括但不限于氦气、氢气。
8.根据权利要求1所述的制冷装置，其特征在于所述的流动制冷装置的高度选择1000米至15000米，优选2000米至10000米，更优选2000米至8000米。
9.根据权利要求1所述的制冷装置，其特征在于所述的流动制冷装置升支内热交换部位选择其升支的全部，优选自下而上1/100至1/2段，更优选自下而上1/100至1/4段。
10.根据权利要求1所述的制冷装置，其特征在于热交换装置与所述的流动制冷装置气体腔内的流动气体为相互隔离状态，除热量外，无气体或液体交流。
11.根据权利要求1所述的制冷装置，其特征在于所述的与热交换装置相连的气体或液体流动驱动装置，其能量来源优选太阳能和风能，其次为电能、机械能、热能。
12.根据权利要求1所述的制冷装置，其特征在于热交换装置采用热交换性能良好的材料包括但不限于铜、铝及其合金和热交换性能良好结构，包括但不限于叶片式、板式、微孔式、螺旋管式。
13.根据权利要求1所述的制冷装置，其特征在于本发明技术用于但不限于空调制冷、冷藏制冷、冷冻制冷。
14.根据权利要求1所述的制冷装置，其特征在于管道外壁的隔热材料包括但不限于聚乙烯、玻璃纤维、陶瓷纤维、石棉、棉花、橡塑海绵。
全文摘要
本发明的目的是提供一种由流动的冷空气作为制冷剂介导的制冷装置，一呈两端开口并且开口端向上呈开放式管道结构的气体或液体流动制冷装置，含有入口、降支、底段、升支、出口及在升支内装有热交换装置、与热交换装置相连接的气体或液体的输入管道和输出管道、驱动装置以及制冷装置的外壁及热交换装置输出管道的隔热结构等。本发明具有结构简单、使用方便、且使用成本极低、无环境污染等特点，是一种有效制冷方法，适用于空调制冷、冷藏制冷、冷冻制冷等多个领域，具有良好的应用前景。
文档编号F25B27/00GK1749675SQ20041009077
公开日2006年3月22日 申请日期2004年11月10日 优先权日2004年9月15日
发明者刘凤鸣 申请人:刘凤鸣