平衡吸附式制冷机的制作方法

专利名称：平衡吸附式制冷机的制作方法
本申请要求美国专利申请No.60/010,335(1995年11月1日递交)的优先权。
本发明一般地针对一种用吸附材料产生冷却效果的传热设备。
过去曾利用吸附产生制冷作用。吸附是这样一种过程，它利用了某些吸附材料所具有的对被吸附物质的天然亲和力。典型的利用吸附的制冷循环包括两个阶段。在第一阶段，使干燥的或带电的吸附材料受到液态被吸附物质的作用。吸附剂所具有的对被吸附物质的亲和性使被吸附物质在其被吸向吸附剂时进入蒸汽状态。被吸附物质从液态向蒸汽状态的转变是一个吸热反应，它从包围液体的环境吸收热，从而冷却周围环境并加热吸附剂。在第二阶段，向吸附剂供给额外的热，以排出或解吸被吸附的蒸汽，从而使吸收剂再带电。使被解附的蒸汽凝结并冷却，并重复这两个阶段的循环。
沸石(也称为分子筛)是用于其化学成分与砂相似的结晶性硅铝酸金属盐吸附剂的通用术语。现在已经知道有超过40种的天然沸石和100多种合成沸石。沸石有可达100m2/g的大的内表面面积，并具有带强静电场的晶格。沸石通过强的物理力而不是化学吸附留住被吸附物质。这就是说，当被吸附的分子通过加热或通过用其它材料的置换而被解吸时，剩下的晶体处于与其进入时相同的化学状态。沸石中的非常强的吸附力主要由于在晶格中曝露的阳离子。这些阳离子的作用像静电地吸引极性分子的负端的强局部正电荷的点。分子的偶极矩越大，则它被吸引和被吸附得越强烈。极性分子通常是那些含有O、S、Cl或N原子并且是不对称的分子。水就是这样一种分子。在阳离子上的局部强正电荷的影响下，分子可以有在其中被诱导出的偶极。此后，由于阳离子的静电吸引而强烈地吸附被极化的分子。分子越不饱和，它就越容易被极化并且被越强烈地吸附。
来自沸石粉的吸附无滞后。吸附和解吸是完全可逆的。不过，采用做成粒状的沸石材料，通过液体在沸石晶体外面的粒料孔隙中的凝结，可在接近饱和蒸汽压的压力下发生某些进一步的吸附。在解吸此大孔被吸附物质时，可能会发生滞后。
在一典型设备中，一吸附容器与一冷凝容器互相连接。吸附容器含有像沸石这样的吸附剂，冷凝容器含有例如像在美国专利No.4,584,842中公开的水-盐水混合物这样的工作流体。假设吸附剂处于不带电状态，将吸附容器加热，使包含在其中的工作流体蒸发，并将流体从吸附容器送至它在该处凝结的冷凝容器中。然后冷却两个容器。当吸附容器冷却时，它开始从冷凝容器中的工作流体吸收蒸汽。当工作流体进入蒸汽状态时，它从其周围环境吸收汽化热，由此冷却冷凝容器和保留在冷凝容器中的工作流体。当用工作流体蒸汽饱和吸附剂时，完成了循环。此后再加热吸附容器，使蒸汽返回冷凝容器并凝结，以重复前述循环。
上述装置的一个缺点为，通常为水的工作流体需要加入盐，以形成盐水混合物。没有盐水，水将全部冻结并膨胀，使冷凝容器和有关的硬件破裂。例如，冷凝容器理想地包括薄的翅片热交换器管，以使冷凝容器中的冷却速度最快。这种管在承受冰冻的水时特别容易损坏。此外，留在冷凝容器中的盐水会在工作流体被吸附时有凝固的倾向，降低从冷凝容器的传热效率。
现有的吸附式制冷机的另一缺点为，吸附剂的能力与工作物质的体积不匹配。如果吸附剂的能力过低，则在吸附剂变成饱和的时候，仍然有处于流态或固态的工作物质。这样是效率低的，因为与其大小能完全吸附所有的工作流体时相比，必须更经常地重新加入吸附剂。如果吸附剂的能力过高，吸附容器就会比所需要的大，因此加热效率低。
因此，在此领域中需要有一种吸附设备，它使工作物质的量与吸附剂的能力匹配，并且不管工作物质处于流态还是固态，都能连续吸附工作物质，而且不使设备损坏。本发明就满足了这些需要，而且具有其它有关的优点。
简单地说，本发明涉及一种用吸附材料产生冷却效果的传热设备。本发明提供了一种优于现有技术的改进，因为它既能从固相又能从液相吸附工作物质，从而不需要有降低工作物质的冻点的盐水或其它添加剂。本发明提供了一种优于现有技术的其它改进，因为吸附材料的量被平衡成基本吸附所有的工作物质，从而使装在传热设备中的工作物质的冷却效果为最佳。
在本发明的一个实施例中，该设备包括一含有吸附材料的第一容器和一用导管与第一容器相连的第二容器。导管在容器之间提供一流体通道，而容器与导管一起构成一能将压力保持在大气压力以下的密封容积。密封的容积含有一定量的工作物质，要将它选成能基本完全地被吸附材料吸附。当工作物质被吸附时，它冷却第二容器。一旦工作物质已经被完全吸附，就将第一容器加热，使工作物质解吸，返回第二容器中。
在本发明的另一方面中，位于第二容器中的工作物质的一部分处于固态。固态工作物质通过升华被完全吸附在装在第一容器中的吸附材料中。
在本发明的另一实施例中，第二容器装在隔热的冷冻室中。在吸附时，第二容器以一种适于贮存食品或其它需要冷冻的物质的方式冷却冷冻室。
在本发明的又一实施例中，一第二容器适于与在冻结时膨胀的工作物质一起使用。第二容器装有可压缩的材料，它在工作物质从液态变成固态时压缩。装在第二容器中的可压缩材料的量和装在其中的工作物质的量要如此选择，以使当工作物质凝固时，由工作物质和被压缩的可压缩材料作用在第二容器上的力小于第二容器的爆裂压力限。
在本发明的又一实施例中，第一容器用于加热斯特林发动机的贮热器，第二容器用于冷却发动机的贮冷器。第一和第二容器由此提高了斯特林发动机在其间运行的两个贮器之间的温差并提高了发动机的效率。
在本发明的又一实施例中，第一和第二容器之间的导管中含有一透平。该透平与导管外面的动力传递装置结合，从而当通过吸附将蒸汽从第二导管送至第一导管时，蒸汽使透平中的转子旋转，产生被传给动力传递装置的动力。
在本发明的再一实施例中，传热设备包括一具有一热端和一冷端的热伏打装置。将设备的位置设定成提高具有吸附容器的热端的温度并降低具有冷凝容器的冷端的温度，从而增加热伏打装置的电压输出。
本发明还提供了一种在含有吸附材料的第一容器和用导管与第一容器相连的第二容器之间传递热和工作物质的方法。该方法包括使工作物质的液体部分通过吸附蒸发，并从第二容器送至第一容器，从而使第二容器中的液态工作物质的剩余部分凝固；以及通过升华连续吸附工作物质的冻结部分，直至工作物质已完全被吸附时为止。
本发明的这些和其它方面将在参看下面的详细说明和附图后变得更加清楚。


图1是具有与冷凝容器相连的吸附容器的一个本发明实施例的局部剖切的侧视图。
图2是本发明的一个实施例的剖视图，其中，冷凝容器包括热交换器管并装在一冷冻盒中。
图3是图2的热交换器管的侧视放大图，它包括可压缩材料的插入件和翅片。
图4是主要沿图3的4-4线的剖视图。
图5是图3的可压缩材料插入件的详图。
图6示出了本发明的一个实施例，其中，两个吸附容器与一单个的冷凝容器相连。
图7示出了本发明的一个实施例，其中，两个吸附容器各自与单独的热交换器相连，以提供对冷冻盒的连续冷却。
图8是本发明另一实施例的示意图，其中，两个吸附容器与冷凝容器配合使用，以驱动一透平。
图9是本发明另一实施例的示意图，其中，吸附容器与冷凝容器被结合到一基本的斯特林发动机循环中。
图10示出了本发明的一个实施例，其中，两个吸附容器与一单个的冷凝容器相连，并包括一用于预凝结工作物质的蓄能器。
图11示出了本发明的一个实施例，它同时包括燃气加热的热源和电热源。
图12示出了本发明的一个实施例，它包括一保存经过机加工的吸附材料的内热源和一外部的环形加热或冷却装置。
图13是图12所示实施例沿13-13线的剖视图。
图14示出了本发明的一个实施例，它包括一空心的内传热源和一外部的环形传热源，两个传热源都适于加热或冷却吸附材料。
图15是图14所示实施例沿15-15线的剖视图。
如上所述，本发明针对一种用热源产生制冷效果的设备。该设备包括吸附材料，它循环地吸附和解吸工作物质，引起热传递。本发明通过使吸附材料的能力与工作物质的量匹配而提高了吸附循环的效率。本发明通过将工作物质保存在一个当工作物质固化时不会爆裂的容器中而进一步提高了吸附循环的效率，从而允许在工作物质已固化后继续吸附。
按照本发明的有代表性的设备示于图中，以便说明。如图1所示，设备2的吸附容器4用管子8与冷凝容器6相连，该管子8穿过位于吸附容器底部的开口9。将吸附容器4中填充以具有强的对极性工作物质的亲和性的吸附材料10。管子8穿过吸附容器4并被吸附材料10包围。管子8上带有许多小孔12，它们允许蒸汽在吸附材料10与管子之间来回穿过。筛网布14盖住小孔12并防止吸附材料10经过小孔进入管子8。吸附容器4装有一个塞子16，用于排空吸附容器并用于在维修时接近容器。
热源18放在与吸附容器4相邻的地方，其位置为可加热吸附容器及其内容物。热源18可以在一有效位置与一无效位置之间循环，在有效位置，它产生热，加热吸附容器4并使吸附材料10释放蒸汽(解吸)，在无效位置，可使吸附容器4及其内容物冷却。热源的形式可以是电加热器，燃气加热器，太阳，或者，加热可通过使磁铁经过例如容器4的铜管路来实现。也可以使用本技术领域中已知的其它加热方法。
在一个实施例中，管子8包含一真空阀20和一波纹管22。真空阀20可在如图1中的实线所示的打开位置与如图1中的假想线所示的关闭位置之间移动，在打开位置，冷凝容器6可通过管子8与吸附容器4连通，在关闭位置，冷凝容器被密封，不与吸附容器连通。冷凝容器6包含一观察窗24，它允许观察装在冷凝容器中的凝结的液态工作物质26和固态工作物质28。在另一实施例中，真空阀20和波纹管22用商品级的真空阀或其它的合适的阀装置代替。
吸附容器4包含一用管子34与一真空阀32相连的第二开口30。真空阀可与真空源33相连，用以抽空吸附容器4。最好降低吸附容器4中的压力，以便降低液态工作物质26蒸发并由吸附材料10吸附的温度。不过，根据吸附材料10和工作物质的特性，压力也可能等于或大于大气压力。真空阀32可位于一打开位置和一关闭位置之间，在打开位置，允许吸附容器4与真空源33之间连通，在关闭位置，吸附容器4不与真空源连通。
在操作设备2之前，打开真空阀32，在吸附容器4与真空源33之间提供流体连接。然后，打开真空阀20，在吸附容器4与冷凝容器6之间提供流体连接。降低吸附容器4与冷凝容器6中的压力。此后，关闭真空阀32，设备2准备运行。在一个实施例中，容器4中的压力被降低至4mmHg的绝对压力(即大于全真空4mmHg)，但是也可能是其它压力，这要取决于装在设备中的吸附材料10和工作物质的种类，以及设备所经受的温度。
在工作时，设备2在吸附阶段和解吸阶段之间循环。在解吸阶段，启动热源18，加热吸附容器4和吸附材料10，使吸附材料10中所包含的任何液态工作物质蒸发。工作物质蒸汽通过筛网布14和小孔12从吸附材料10进入管子8中，然后进入冷凝容器6，在该处凝结，形成液态工作物质26的池。在一个其中的工作物质为水的实施例中，将吸附容器加热至温度250°F，以解吸工作物质蒸汽。其它温度也可以，这要取决于吸附材料10、工作物质的特性和在解吸过程中被解吸的工作物质的量。如图1所示，冷凝容器最好位于吸附容器4的下方，以允许用重力协助冷凝物从吸附容器进入冷凝容器中。
一旦工作物质蒸汽已从吸附容器4中被解吸，进入冷凝容器6中，就关闭真空阀20，并允许冷凝容器6和吸附容器4都冷却。在一个实施例中，吸附容器和冷凝容器都冷却至室温，约为70°F。吸附容器4的冷却速度可以通过增加冷却源36而被加速。不过，设备2的操作并不需要冷却源。冷却源的例子包括风扇、水套和其它放热孔(thermal dump)。虽然图1中所示的冷却源位于吸附容器4的外面，但是它也可以伸入吸附容器中，以更有效地冷却其中的吸附材料10。
当吸附容器4和冷凝容器6已经冷却时，吸附式制冷机2就准备开始吸附阶段。打开真空阀20，允许在吸附容器4和冷凝容器6之间形成流体连通，并提供一直接、快速的冷却效果。吸附材料10吸附液态工作物质26，使其从液相变成蒸汽并通过管子8、小孔12、筛网布14而进入吸附材料10。当液态工作物质从液体状态变成蒸汽状态时，它从周围的液态工作物质和冷凝容器6中吸收汽化热，使水与冷凝容器冷却。当冷凝容器6及其内容物冷却时，液态工作物质开始形成固态工作物质28。随着吸附阶段的续继，液态工作物质26消失，这是因为它或是被吸附材料10吸附，或者完全转变成固体28。
一旦液态工作物质26从冷凝容器6中消失，当固态工作物质28直接升华成被吸附材料10吸附的蒸汽时，吸附继续进行。当液体26和固体28已基本被全部吸附时，结束循环。随后再次启动热源，经过管子8将水蒸汽送回至冷凝容器6中，以重复制冷循环。在此处使用的术语“基本上被全部吸附”指的是，几乎所有的工作物质，不管是液相的还是固相的，已经被吸附成蒸汽相，并从冷凝容器6被传送至吸附容器4。
吸附材料10的能力(即它保存工作物质的最大量)相对于设备2中的工作物质的量是本发明的一个重要的特征。在一个实施例中，吸附材料10是由伊利诺斯州Des Plaines的UOP公司制造的MOLSIV型13X沸石，而工作物质是水。在此实施例中，将吸附材料10的能力设定在一个值，从而使吸附材料完全吸附液态水26和冰28。吸附材料10的体积根据所要求的冷却载荷和速度选择为22立方英寸(即0.51 lb)。工作物质被选择为60cm3的水(即为吸附材料10的重量的28.5％)，而且将冷凝容器6的体积的大小定为与工作物质的体积相等。被吸附材料10吸附的水的量在吸附材料被加热至250°F时为20cm3。其余40cm3的水在吸附后留在吸附材料10中。采用这种组合，在冷凝容器6中残留的水在打开真空阀20以及循环的吸附阶段开始后约11秒完全冻结。由于不向系统施加直接的工作载荷(即没有给冷凝容器加热的源)，冻结的残余物在大约120～160分后被吸附材料10完全吸附。
将上面所选的吸附剂与工作物质之比和温度选择成可提供所指出的冷却时间。可以有吸附和解吸更多的总工作物质的其它比例和温度。这种比值将降低吸附材料10必须被解吸的频率。
如上所述，在一个实施例中，吸附材料10是沸石，而工作物质是水。也可以采用其它的工作物质和对工作物质有亲和力的其它吸附材料。这类工作物质包括NH3、H2、S、N2、CO2等，还有氟代烃和氯代烃，以及其混合物。这些物质对吸附材料有不同的亲和力，这将在下面讨论。其它吸附材料包括分子筛、硅胶、活化矾土和其它类似的方钠石型结构，包括它们的粉末、球粒、颗粒、固体型式和凝胶。
吸附剂分子筛晶体的外表面可用于吸附所有尺寸的分子，而内表面则只用于小得足以进入孔中的分子。外表面只为总表面积的1％。尺寸太大以致不能在内部被吸附的材料通常在外部被吸附，其程度为按重量计的0.2％至1％。可以以非常不同的型式和形状得到分子筛。通过选择合适的吸附剂和工作条件，可以使分子筛适应许多特殊的用途。分子筛不仅根据尺寸和构形分离分子，它们还可以根据极性或不饱和度优先吸附。在其分子小到足以进入孔中的混合物中，分子的挥发性越低，极性越大或者越不饱和，它在晶体中被保持得越牢固。
例如，在本发明的一个实施例中，工作流体是CO2和水的混合物。CO2比水更容易蒸发。在循环的吸附阶段的开始，CO2立即蒸发，提供立即的冷却作用。水蒸发得比较慢，但可在一段较长的时间内提供长期冷却。CO2除了提供立即的冷却作用外还改进了从热源18至吸附材料10的传热速度，从而减少了解吸吸附材料所需要的时间和能量。像氮这样的物质也可以与水组合使用。氮提供了导热性，由于提高了热在解吸过程中可从吸附材料传走的效率。由于吸附材料10不像吸附水那样强烈地吸附氮，氮不会阻止吸附材料10吸附水。
在图1所示装置的另一个实施例中，去掉了真空阀20。其结果为，吸附材料连续吸附工作物质并且连续地而不是突然地冷却冷凝容器及其内容物。
在图1所示的实施例中，吸附容器4的直径为管子8的直径的2.4倍；但是也可以使用其它的管子直径和构形。例如，管子8的位于吸附容器4中的部分可以被分成多根较小的管，每根小管都有小孔12和筛网布14。增加管子的数目提高了吸附剂10和冷凝容器6之间的蒸汽传递速度。
如图1所示，热源18位于吸附容器4的外面，不过，也可以采用其它布置。例如，热源18可放在吸附容器4内，以便更有效地加热吸附材料10。在一个这种实施例中，热源18包括一种耐水的因科洛依(incolloy)元件，而且使吸附材料10直接附着在该元件上，以提供用于有效的热传递的紧密结合。在此实施例中，因科洛依或其它合适的材料在受到热载荷时能曝露在空气中而不熔化。粘结剂材料可以是聚亚苯基硫醚(PPS)或磷酸铝。磷酸铝作为粘结剂是有利的，因为它通过使活化矾土和/或氧化铝与沸石组合而提高了结构强度，而且可以被加热至超过600°F。PPS不会这样多地提高强度，但是不需要加入活化矾土和氧化铝，因而吸附剂可以100％的是沸石。
在图12和13所示的一个实施例中，吸附材料是经过机加工的吸附盘50，它们堆在一个用像因科洛依这样的材料做成的实心加热元件52上，该元件52可通过向电缆53施加电压而被电加热。每个吸附盘52有孔54，该孔允许被解吸的蒸汽在吸附盘50和管子8之间穿过。吸附盘50可以被机加工成具有粗糙的表面55，该表面允许空气从吸附盘之间通过，以按要求冷却或加热吸附盘。传热外套56环绕地包围吸附盘50的外表面。传热外套与热交换源57相连，以改变吸附容器4的温度。像水这样的流体58在传热外套56和热交换源57之间经过，以在吸附盘50和热交换源57之间传递热。吸附盘50可以被加工成所要求的任何形状并可堆在具有不同长度的加热元件52上，以便配合在尺寸不同的吸附容器4内。
如图12所示，热交换源57和传热外套56可起着将热传至吸附盘50或从吸附盘传来的作用。当热交换源57和传热外套56起着加热吸附盘50的作用时，它们提高了吸附盘解吸工作物质的速度，减少了解吸吸附容器4所需要的时间，从而减少了总循环时间。当传热外套56和热交换源57起着冷却吸附盘50的作用时，它们迅速地淬冷吸附盘，减少在下一个吸附阶段之前冷却吸附盘所需要的时间，再次减少了总循环时间。
在图14和15所示的另一实施例中，吸附材料10为粉末或球粒。用像因科洛依这样的材料做成的加热元件300穿过吸附材料10并与热交换源57相连。加热元件300有一流体58经过它的环形空腔302。传热外套56也与热交换源57相连，并且也装有流体58。
如图14和15所示，管子8分支成有孔的区段310和312。有孔区段310和312带有小孔12和网筛布14，孔12允许蒸汽在吸附材料10与有孔区段之间通过，而布14可防止吸附材料进入有孔区段。虽然在图14和15中示出了两个有孔区段310和312，同样也可以设有更多数量的有孔区段，以使蒸汽在吸收材料10与有孔区段之间传送的速度为最高。如同上面联系图12和13所示的实施例所讨论的那样，热交换源57、传热外套56和环形加热元件300可起着加热或冷却吸附材料10的作用。当像水或其它合适的流体的热流体从热交换源57经过传热外套56和环形空腔302并且用通过电缆53供应的电流加热加热元件时，提高了吸附材料10解吸的速度，减少了使吸附容器4准备吸附所需要的时间。当像水或其它合适的流体的冷流体从热交换源57经过传热外套56和环形空腔302时，吸附材料10立即被淬冷，进一步减少了吸附容器4在其已被加热之后、在解吸之前准备进行吸附所需要的时间。
在图2所示的另一实施例中，冷凝容器由一个位于隔热箱38内的热交换器36代替。吸附容器4的运行基本上与上面联系图1所讨论的吸附容器的运行相同。由于热交换器在吸附阶段冷却，它冷却箱38。随后，箱38可用于贮存像食品这样的需要冷藏的任何物品。热交换器36具有热交换器管40，它起着与图1的冷凝容器6相同的作用。不过，热交换器管40能提供比冷凝容器6大的传热表面积，因此能更有效地冷却箱38。热交换器管40按向下的角度取向，以便当热交换器管充满冷凝物时利用重力。
图3较详细地示出了热交换热管40。在此实施例中，工作物质是一种像水一样的在固化时膨胀的材料。如图3所示，热交换器管40含有泡沫或其它的在工作物质26冻结时适应其膨胀的可压缩材料42。冻结的水对热交换器管40的壁施加压力，产生圆周应力，同时也对可压缩材料42施加压力。由于可压缩材料42比热交换器管的壁更容易被压缩，所以它变形，由此在工作物质完全冻结时防止压力超过热交换器管40的圆周强度。一旦工作物质完全冻结，它就继续升华，并如前所述的那样被吸附材料10吸附。此处使用的圆周强度指的是超过它以后，其中放有可压缩材料42的热交换器管40或其它容器的壁会爆裂的应力。
最好将可压缩材料42的大小和放在热交换器管40中的位置设定成可在热交换器管中留下足以允许工作物质蒸汽在吸附过程中流过热交换器管的流动面积。与此同时，最好提供足够的可压缩材料42，从而使冻结的工作物质不会完全压缩可压缩材料42，然后爆裂热交换器管40。因此，在一个实施例中，工作物质的体积与可压缩材料42的体积之比要选择成，当工作物质冻结并膨胀时，它压缩可压缩材料42，由冻结的工作物质、剩下的任何液态工作物质和可压缩材料42产生的组合压力小于热交换器管40的圆周强度。
在图3所示的实施例中，热交换器管包括单独的一段，它具有与吸附容器4连通的开口46。也可以有其它的实施例。例如，热交换器管40可以被分成几段长度，每段都有与吸附容器连通的开口46。这种布置增加了热交换器管中的流体曝露于吸附容器4中的程度。在另一实施例中，热交换器管40可装有翅片48，该翅片加大了从箱38传至热交换器管的传热速度，从而加大了箱子的冷却速度。
在本发明的一个实施例中，具有三角形横截面形状的可压缩材料42示于图4中。这种形状允许工作物质26围绕可压缩材料42经过管道。这种形状还将包含在热交换器管40内的工作物质26推向管路的壁，以便有最大的传热效率。还可能采用其它的用于使工作物质位于壁上，以便有最大的传热的形状。如图5所示，切口44允许工作物质26从可压缩材料42的一侧经过至另一侧，从而提高液体和蒸汽通过管道40的速度。在此实施例中，切口44如图5所示的按螺旋形图案布置，以使液体和蒸汽更易于从可压缩材料42的一侧经过至另一侧，而不致损害可压缩材料42的结构。切口的螺旋形布置还用于在可压缩材料42被压缩时使作用在热交换器管上的圆周应力为最小。
虽然在图3中示出了位于热交换器管40中的可压缩材料42，但可压缩材料42也可以放在任何一种当其中所含的液体冻结并膨胀时经受爆裂的容器中。例如，可将可压缩材料42放在一室外的水龙头中，以在环境温度低于冻结温度时防止水龙头破裂。在这些实施例中，可压缩材料42可具有任何与放置其的容器的形状一致的形状，而且不一定是如图3和图4所示的三角形或细长形。可压缩材料可如此地放在容器中，以使它靠近容器的第一壁并与容器的第二壁隔开一段距离。这样，可压缩材料的作用为使容器的第一壁隔热，并使工作物质的位置靠近容器的第二壁，以使工作物质与第二表面之间的热传递为最大。
在容器形状不容易接纳单件可压缩材料的场合，在容器中可采用可压缩材料球粒。虽然热交换器管40一般都用薄壁的刚性导热材料制造，但也可以将可压缩材料42装在具有弹性壁的容器中。在此实施例中，容器壁与可压缩材料42在其中所含的液体冻结时都变形。可压缩材料42的其它这类应用对本领域中的技术人员而言都是熟知的。
如图6所示，在本发明的另一实施例中，使两个吸附容器4与冷凝容器6相连。每个吸附容器4都基本上以与如前所述的方式相同的方式工作，但是这两个吸附容器不同相运行，以致当一个吸附容器正在从冷凝容器吸附工作物质时，另一个吸附容器被热源18加热，并解吸蒸汽，将其凝结，送入冷凝容器6中。当热的容器正在解吸蒸汽时，与该容器直接连接的真空阀20被关闭，以防止冷凝物立即被相邻的吸附容器吸附。打开阀21，允许冷凝物在蓄能器23中凝结而且不妨碍由另一吸附容器4进行的同步吸附。当由解吸容器进行的解吸结束时，打开与解吸附容器相联的阀20，使工作物质从蓄能器23流入冷凝容器6中。在一个实施例中，要将热源18与吸附容器4的大小如此设定，即当一个吸附容器完全解吸、冷却并准备吸附时，另一个吸附容器已经饱和、准备解吸。此后，将容器的角色颠倒原先解吸的容器从冷凝容器6中吸附，而原先吸附的容器解吸，使工作物质流入蓄能器23中。虽然在图6中示出了两个吸附容器，但是也可以采用利用更多的吸附容器的其它构形。这种实施例是有利的，因为它们不需要使一个容器的解吸时间与另一个容器的吸附时间精确地匹配。
图7示出了同时使用多个吸附剂系统的连续循环。每个吸附容器4与包含有热交换器管40的一个单独的热交换器36连接。与如图6所示的实施例一样，各吸附容器4不同相地运行，以致当一个吸附容器4正在从与其相连的热交换器36吸附工作物质时，另一吸附容器正在将工作物质向其热交换器解吸。这样，隔热箱38可保持在基本恒定的温度。
箱38有一上冷冻部分和一下冷藏部分。上冷冻部分的每单位箱体积中含有较高的热交换器管密度，以达到冷冻食品通常所需的低温。下冷藏部分的每单位箱体积中含有比冷冻部分低的热交换器管密度，并适于将食品维持在通常高于32°F的冷藏温度。也可能有另一些利用多于两个的吸附容器和热交换器的实施例。这类实施例是有利的，因为它们不需要使一个容器的解吸时间与另一个容器的吸附时间精确地匹配。
图8示出了本发明的一个实施例，其中，两个吸附容器60和62与冷凝容器66相连。吸附的蒸汽在吸附容器60和62与冷凝容器66之间的流动驱动一个位于冷凝容器的入口70处的透平68，以向动力传送装置72提供动力。阀74和76可按要求打开或关闭，以允许吸附容器60和62中的一个或另一个与冷凝容器66连通。旁路阀75、76、77和78允许冷凝物经过蓄能器79和71返回冷凝容器66。
在工作时，吸附容器60处于完全饱和的状态，吸附容器62处于完全解吸和带电荷的状态，阀76打开，阀74关闭，阀75关闭，而且阀77和78关闭。在一典型的设备中，工作物质在解吸时的流动速度过慢，以致不能在透平68处产生动力。因此，当第一吸附容器60被加热时，离开该容器的蒸汽的路线为经过透平68附近的旁路管64并进入蓄能器79。第二吸附容器62从冷凝容器66中吸附蒸汽，使蒸汽经过透平68。当蒸汽经过透平68时，它转动透平。利用本技术领域中已知的装置如紧密地密封的轴或涡流联轴器，由动力传递装置72传送透平的旋转运动。一旦第二吸附容器62被蒸汽饱和而第一吸附容器60全部带电时，就使各容器的角色颠倒。关闭阀75、76和77，打开阀74和78。第一吸附容器60从冷凝剂容器66中吸附蒸汽，驱动透平68，而第二吸附容器62则解吸蒸汽，经过旁路管65进入蓄能器71。
在本发明中公开的吸附式制冷装置还可能有其它应用。例如，可将该设备用于降低斯特林发动机的冷端温度，从而提高发动机的效率。图9示出了一种如美国专利No.5,456,076中所公开的基本的再生式斯特林发动机循环，此处将其全部内容用作为参考文献。基本的斯特林发动机循环至少包括一个向一热区82供给热能的热源81，一个从一冷区83带走热的冷源84，一种在热缸区86和冷缸区87之间传送热能的导热的气态工作流体85，一个在一具有一热室90和一冷室91的排出缸89中往复运动的排出活塞88，一个在一动力缸94中往复运动的动力活塞，一用于将动力活塞的运动转换成有用功的装置如旋转的曲轴，和一种用于控制排出器相对于动力活塞的运动时间的装置，其中所述的热室90和冷室91由一隔热的再生式热交换器92连接。动力活塞93与排出活塞88可以像在自由浮动式斯特林直接发生器中那样是自由浮动的，或者可以机械地连接。在此实施例中，热源81包括一吸附容器，冷源84包括一上述类型的冷凝容器。吸附容器与冷凝容器分别加热和冷却热源82和冷源84，提高发动机效率。此外，再生式热交换器82可以用前述类型的吸附容器/冷凝容器的组合代替。热源81可包括太阳能，以致在白天，热源加热吸附材料，使吸附容器带电。在晚上，吸附容器从冷凝容器吸附工作物质，加热吸附容器，并冷却冷凝容器。这样，所包括的吸附容器与冷凝容器用于储存太阳能并使斯特林发动机即使在晚上也继续运行。
在本发明的另一实施例中，吸附式制冷机可用于提高热伏打电池的效率。吸附式制冷机用于降低伏打电池的冷端温度，因此可提高电压输出。还可以有其它的实施例。例如，传热设备可用于冷却用于处理鱼的平板，或冷却计算机芯片、变电分站或车辆。在每个实施例中，可容易地得到的较低级的热可用于产生所要求的冷却作用。
图10示出了本发明的一个实施例，其中，第一和第二吸附容器4和104与一个单个的冷凝容器6一起工作，以冷却一计算机芯片180。当第一吸附容器4正在向蓄能器23解吸，而且阀21打开，旁路阀27和真空阀20关闭时，第二吸附容器64正在从冷凝容器6吸附，并且真空阀120和阀121关闭，旁路阀127打开。当第二吸附容器104已经完成吸附而第一吸附容器4已经完成解吸时，将各阀的位置反过来，并在吸附容器104向蓄能器123中解吸时，吸附容器4开始吸附。
图11示出了本发明的另一实施例，其中，吸附容器可由一经煤气口202排气的煤气喷嘴组件201或一电加热元件203或由经过入口212流入和经过出口214流出的热气体或液体加热。加热包含在吸附容器4中的吸附材料10的方法可根据解吸时能得到的热源来选取。入口212和出口214可以与任何一种方便的热源例如车辆散热器相连。也可设有一冷却的热交换器210，以在吸附容器4一旦已经解吸时降低其温度。备有一入口205，以便可维修吸附容器4及其控制装置207。真空口32可与一真空源(未示出)相连，用以将吸附容器排空至使其压力低于大气压力。
由以上内容可以了解，虽然此处为了说明而描述了本发明的特殊实施例，但是可以作出各种改进而不偏离本发明的精神和范围。因此，除了所附权利要求书外，本发明不受限制。
权利要求
1.一种采用一热源产生冷却效果的传热设备，该设备包括一个具有一第一开口并包含一种具有吸附能力的吸附材料的第一容器；一个具有一第二开口的第二容器，所述第二开口用导管与第一容器的第一开口相连，所述导管在两容器之间提供流体通路，容器与导管形成一能在其中保持低于大气压力的压力的密封的容积；和在所述密封的容积中的一定量的工作物质，该工作物质能够被吸附材料强烈地吸附，工作物质的量在密封容积的选定温度与压力下不大于吸附材料的吸附能力，从而使工作物质能被吸附材料基本完全地吸附。
2.如权利要求1所述的传热设备，它进一步包括一个位于导管中并可在一打开位置与一关闭位置之间移动的阀，在所述打开位置，工作物质可在第一和第二容器之间自由移动，在所述关闭位置，工作物质受到限制，不能在两个容器之间移动。
3.如权利要求2所述的传热设备，其特征为，阀处于关闭位置，而且基本上所有的工作物质都由吸附材料保持。
4.如权利要求1所述的传热设备，其特征为，第二容器有一第三开口；所述设备进一步包括一个与所述第三开口相连的第三容器，该第三容器具有一种吸附材料和吸附能力，其中，第三容器能在第一容器正在吸附工作物质时由一热源加热，而第一容器能在第三容器正在吸附工作物质时被热源加热。
5.如权利要求1所述的传热设备，其特征为，第二容器是用于冷却包围第二容器的体积的制冷元件。
6.如权利要求1所述的传热设备，其特征为，位于第二容器中的工作物质的一部分处于固体状态，并且固态的工作物质升华成蒸汽状态并基本上全部地被吸附材料吸附。
7.如权利要求1所述的传热设备，其特征为，密封的单元有一4mmHg的内部绝对压力。
8.如权利要求1所述的传热设备，其特征为，吸附材料有重量，而且工作物质所具有的重量为吸附材料重量的28.5％。
9.如权利要求1所述的传热设备，它进一步包括一个位于吸附材料附近的热源，以用于加热吸附材料并从其蒸发工作物质，热源可在热源加热吸附材料的有效状态和非有效状态之间受到控制。
10.如权利要求9所述的传热设备，其特征为，热源位于第一容器的外部。
11.如权利要求9所述的传热设备，其特征为，热源位于第一容器内。
12.如权利要求11所述的传热设备，其特征为，热源与吸附材料热连结。
13.如权利要求11所述的传热设备，其特征为，热源与吸附材料结合。
14.如权利要求9所述的传热设备，其特征为，第一容器能在热源处于其有效状态时达到大约70°F的温度。
15.如权利要求9所述的传热设备，其特征为，热源由太阳能加热。
16.如权利要求1所述的传热设备，其特征为，吸附材料是沸石。
17.如权利要求1所述的传热设备，其特征为，工作物质是水。
18.如权利要求1所述的传热设备，其特征为，工作物质是第一被吸附物质；所述设备进一步包括一种第二被吸附物质，第一被吸附物质以比第二被吸附物质由吸附剂吸附的速度低的速度被吸附剂吸附。
19.如权利要求18所述的传热设备，其特征为，第一被吸附物质为水，第二被吸附物质为二氧化碳。
20.如权利要求1所述的传热设备，其特征为，吸附剂是一种第一吸附剂，而工作物质是一种第一被吸附物质；所述设备进一步包括一种第二吸附剂和一种第二被吸附物质，第一被吸附物质以比第二被吸附物质被第二吸附剂吸附的速度低的速度被第一吸附剂吸附。
21.如权利要求1所述的传热设备，其特征为，第二容器有一爆裂压力限；所述设备进一步包括位于第二容器内的可压缩材料，可压缩材料在工作物质从液态变成固态时可在一未被压缩的体积和较小的已被压缩的体积之间被工作物质压缩，可压缩材料与工作物质在容器上作用一经过选择的低于爆裂压力限的压力。
22.如权利要求1所述的传热设备，其特征为，第一容器有一穿过它的真空开口和一内压；所述设备进一步包括一与真空开口相连的真空阀，真空阀可与一真空源相连并可在一打开位置和一关闭位置之间移动，在所述打开位置，真空源与第一容器形成流体连通，以降低第一容器的内压，在所述关闭位置，第一容器与真空源不连通。
23.如权利要求1所述的传热设备，它进一步包括一具有一发动机效率并在一贮热器和一贮冷器之间工作的斯特林发动机，其中，将第二容器放置成可冷却贮冷器、降低贮冷器从斯特林发动机带走热量时的温度，而且将第一容器放置成可加热贮热器，从而提高发动机相对于没有所述传热设备的斯特林发动机的效率。
24.如权利要求1所述的传热设备，它进一步包括一具有一热端和一冷端以及一电压输出的热伏打装置，其中，将第二容器放置成可冷却冷端，而且将第一容器放置成可加热热端，从而相对于没有所述传热设备的伏打装置提高电压输出。
25.如权利要求1所述的传热设备，它进一步包括一种位于在第一和第二容器之间的导管中的透平装置，该透平装置具有一个当工作物质从第二容器被吸附材料吸附至第一容器时能将工作物质的直线运动转变为旋转运动并传递与在导管外面的旋转运动有关的能量的透平转子。
26.如权利要求1所述的传热设备，其特征为，第一和第二容器、导管和工作物质限定了一第一制冷单元，所述设备进一步包括至少一个第二制冷单元，各制冷单元的第二容器被包含在一限定了一个制冷容积的制冷室中，各制冷单元可受到控制以将制冷容积保持在选定的温度。
27.如权利要求1所述的传热设备，其特征为，第一容器有一内部区域，而且导管有一伸入所述内部区中的有孔部分，有孔部分具有多个大小被选定的小孔，用以作为工作物质在吸附剂与导管之间的通路。
28.如权利要求27所述的传热设备，它进一步包括一位于有孔部分和吸附剂之间的筛网层，该筛网层具有多个开孔，开孔具有小于导管的有孔部分的小孔的选定尺寸的尺寸，以防止吸附材料进入小孔。
29.如权利要求1所述的传热设备，它进一步包括一限定一具有温度的内部区域的制冷室，其中，第二容器位于制冷室的内部区域内，导管穿过制冷室中的一个开口，而且第一容器位于内部区域的外面，传热设备能将内部区域的温度降低到低于内部区域外的温度。
30.如权利要求1所述的传热设备，其特征为，第二容器是一段管路。
31.如权利要求1所述的传热设备，它进一步包括多个从第二容器的外表面向外伸出的翅片。
32.如权利要求1所述的传热设备，其特征为，工作物质的量大致等于吸附材料的吸附能力。
33.如权利要求1所述的传热设备，它进一步包括一传热源，用于在吸附材料与一个在第一容器外面的区域之间传递热量，传热源与吸附材料热接触。
34.如权利要求33所述的传热设备，其特征为，传热源是包围吸附材料的水套。
35.如权利要求33所述的传热设备，其特征为，传热源位于第一容器内。
36.如权利要求33所述的传热设备，其特征为，传热源能够冷却吸附材料。
37.如权利要求33所述的传热设备，其特征为，传热源能够加热吸附材料。
38.一种用于盛放在从液相变换成固相时膨胀的物质的容器，它包括一个具有爆裂压力限的贮存器；和一种放在贮存器中的可压缩材料，可压缩材料可在未被压缩的体积与较小的受压体积之间被所述物质的冻结部分压缩，可压缩材料和所述物质在贮存器上作用一选定的低于爆裂压力限的压力。
39.如权利要求38所述的容器，其特征为，贮存器为一管子，爆裂压力限为管子的圆周强度。
40.如权利要求38所述的容器，其特征为，可压缩材料为泡沫材料。
41.如权利要求38所述的容器，其特征为，贮存器有贮存器壁，贮存器壁基本上是刚性的。
42.如权利要求38所述的容器，其特征为，贮存器有贮存器壁，贮存器壁是弹性的，以允许贮存器在物质膨胀时膨胀。
43.如权利要求38所述的容器，其特征为，贮存器有一第一壁和一第二壁，可压缩材料基本上与第一壁相邻，以隔热第一壁，防止从第一壁传热；它还与第二壁隔开一段距离，允许热从所述物质传向第二壁。
44.一种用于在包含吸附材料的第一容器和与第一容器相连的第二容器之间传送热量和工作物质的方法，所述两个容器限定了一包含处于液相的工作物质的密封容积，该方法包括允许一部分工作物质通过吸附蒸发并从第二容器传给第一容器中的吸附材料，从而使工作物质的其余部分冻结，产生冻结的工作物质；和通过升华继续将冻结的工作物质从第二容器吸附至第一容器中的吸附材料中。
45.如权利要求44所述的方法，它进一步包括通过升华继续从第二容器将冻结的工作物质吸附至第一容器中的吸附材料中，直至冻结的工作物质基本上全部被吸附材料吸附。
46.如权利要求44所述的方法，它进一步包括加热吸附剂，将处于蒸汽状态的工作物质从吸附剂驱向第二容器；和在第二容器中使工作物质从蒸汽状态冷凝至液态。
全文摘要
一种采用吸附材料产生冷却效果的传热设备(2)。传热设备(2)包括一个包含吸附材料(10)的第一容器(4)和与一个与第一容器(4)相连的第二容器(6)。在两个互相连接的容器(4,6)中装有工作物质。吸附材料(10)与工作物质(26,28)的尺寸要设定成使工作物质在液态和固态(26,28)时都能被吸附材料(10)从第二容器(6)完全吸附至第一容器(4)中,冷却第二容器(6)并加热第一容器(4)。全部吸附包括工作物质在其处于液相(26)时通过汽化的吸附和工作物质在其处于固相(28)时通过升华的吸附。第二容器(6)包含有可压缩的泡沫材料,它在工作物质从液相变成固相时适应工作物质的膨胀,并防止第二容器(6)破裂。
文档编号F25B27/02GK1203656SQ96198737
公开日1998年12月30日 申请日期1996年11月1日 优先权日1995年11月1日
发明者小约翰·J·鲍尔, 大卫·A·佐纳斯 申请人:小约翰·J·鲍尔, 大卫·A·佐纳斯