專利名稱：致冷裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種致冷(冷卻)裝置，特別是，但并不局限于一種熱-聲致冷裝置，該種裝置的結(jié)構(gòu)范例和工作原理如下列已有技術(shù)的文獻(xiàn)所述。
1)J.Wheatley和A.Cox“Natural Engines”，“今日物理”38卷，第8期(1985年8月)。
2)W.E.Gifford和R.C.Longworth美國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)(ASME)冬季年會(huì)論文，63-WA-290號(hào)，費(fèi)城，賓夕法尼亞，美國(guó)，1963年11月。
3)P.Merkli和H.Thoman“諧振管中的熱-聲效應(yīng)”，“流體力學(xué)雜志”，70，161(1975)。
4)J.Wheatley和T.Holler，G.W.Swift，A.Mingliori“了解一些熱-聲學(xué)在聲學(xué)熱機(jī)中應(yīng)用時(shí)的簡(jiǎn)單現(xiàn)象”，“美國(guó)物理雜志”，53卷，第2期，(1985年12月)。
5)R.Radelbough，J.Zimmerman，D.R.Smith和B.Louuse“三類脈沖管致冷器的比較用于測(cè)量讀數(shù)60°K時(shí)的新方法”，已投稿至“低溫工程進(jìn)展”，31卷。
本發(fā)明既涉及上述文獻(xiàn)目錄中第2篇和第5篇文獻(xiàn)主題所述的非諧振的“脈沖管”型裝置，也涉及上述第3篇和第4篇文獻(xiàn)所述的諧振的“風(fēng)琴管”型裝置。
諧振的“風(fēng)琴管”致冷裝置通過(guò)使一種工作流體(即一種氣體或蒸汽)在一外殼里作運(yùn)動(dòng)、壓縮和膨脹而工作。上述工作流體在該致冷裝置中的行為與空氣在風(fēng)琴管中的行為有些相似，也就是說(shuō)，如果不考慮有時(shí)放置在該外殼中的一個(gè)或多個(gè)我們稱為換熱器的結(jié)構(gòu)所造成的稍許編離，上述工作流體的行為可以用支配空氣在一個(gè)風(fēng)琴管中行為相同的物理定律來(lái)詮釋。對(duì)于非共振情況，即脈沖管致冷裝置情況，盡管這時(shí)簡(jiǎn)單的風(fēng)琴管類比并不合適，但可應(yīng)用同樣的物理定律。
換熱器是一種熱交換器，上述工作流體以往復(fù)的方式穿過(guò)或經(jīng)過(guò)該換熱器。該換熱器有這樣的作用即以該工作流體運(yùn)動(dòng)、壓縮和膨脹的方式，從所述工作流體中吸收熱能。暫時(shí)將熱能儲(chǔ)存起來(lái)，并再將這些熱能放出來(lái)。這樣，熱就從上述換熱器的所謂“冷端”的一個(gè)部件傳至另一端的一個(gè)部件。在以Stirling循環(huán)方式運(yùn)轉(zhuǎn)的冷卻裝置中，換熱器也起著類似的作用。
熱-聲致冷裝置的運(yùn)行，依賴于在上述工作流體強(qiáng)制循環(huán)和所述換熱器有效地把熱能暫時(shí)儲(chǔ)存起來(lái)隨后又把熱能放給所述氣體的過(guò)程之間，存在一個(gè)時(shí)間位相延遲(time phase lag)。目前的換熱器通常是用大量多孔的金屬材料制成，比如，可以做成一堆盤狀金屬絲網(wǎng)，或者做成一金屬纖維的襯套。人們認(rèn)為，換熱器做成這種結(jié)構(gòu)，限制了熱-聲致冷器的現(xiàn)有性能，本發(fā)明的目的就是提供一個(gè)在這方面有所改進(jìn)的換熱器。
本發(fā)明提供了一種致冷裝置，它包括一個(gè)換熱器和一種工作流體，其中所述工作流體與該換熱器相接觸并且作壓縮和膨脹式運(yùn)動(dòng)，以產(chǎn)生一種冷卻效果。所述換熱器至少確定了一個(gè)表面，所述工作流體靠著該表面通過(guò)，而且上述表面有許多部分伸出插入上述工作流體中，這是為了在上述工作流體的邊界層的流動(dòng)中造成可控制的局部不連續(xù)性。由于改進(jìn)了在上述換熱器和所述工作流體之間的熱交換，而且進(jìn)一步，為了增加所述表面和確定該表面的構(gòu)件主體之間的熱相位延遲(thermal phase lag)及增加每個(gè)循環(huán)中熱能所抽運(yùn)的有效距離，以造成局部熱源/冷源部位。
為更好地理解本發(fā)明，現(xiàn)在來(lái)參考附圖的例子。


圖1是一熱-聲致冷器后視示意圖。
圖2是用于圖1中致冷器的換熱器的一個(gè)剖面圖。
圖3和圖4分別是圖2中換熱器的一個(gè)平板的側(cè)視剖面圖和平面圖。
圖5中的那個(gè)管子左端封閉，右端裝有一振蕩器，該振蕩器在該管子中激勵(lì)起聲學(xué)效應(yīng)。
圖6示意了在有橫向凸緣存在的情況下的氣體流線和一個(gè)在每個(gè)低階(step-down)附近都出現(xiàn)的初始旋渦狀態(tài)，上述每個(gè)低階的后面是一個(gè)配對(duì)的高階(step-up pair)，前面也伴隨著一個(gè)所述的高階。
圖7和圖8確定了一個(gè)換熱器平板的幾何結(jié)構(gòu)，并且作為一個(gè)例子，描繪了一換熱器平板中的瞬態(tài)溫度場(chǎng)。
圖1中的致冷器有一個(gè)機(jī)殼10、一個(gè)流體儲(chǔ)存器12和一個(gè)細(xì)長(zhǎng)形的管路1。機(jī)殼10的后面裝有一個(gè)壓縮機(jī)11，流體儲(chǔ)存器12與壓縮機(jī)11相連，管路1的一端也與該壓縮機(jī)相連。管路1從壓縮機(jī)11向上伸出，在A處進(jìn)入機(jī)殼10，并在B處從該機(jī)殼中出來(lái)，向下延伸至靠在上述機(jī)殼的后面下方的該管路的另一端。管路1的這個(gè)另一端是封閉的，而且在這一端附近，該管路與一系列葉片或散熱片14相連，構(gòu)成一個(gè)熱交換器，以把該管路中的熱量散發(fā)到周圍環(huán)境中。
從圖上看去，上述管路在A處和B處之間位于機(jī)殼10之中的部分7似乎只是簡(jiǎn)單地從A處到B處構(gòu)成一個(gè)環(huán)路，但實(shí)際上，為了有效地從該機(jī)殼中吸收熱量，部分7將沿一條適當(dāng)?shù)穆窂酵ㄟ^(guò)該機(jī)殼。例如，該管路可靠在上述機(jī)殼的內(nèi)表面或上述機(jī)殼的一個(gè)專用冷室的一個(gè)內(nèi)表面上形成一個(gè)卷繞或回旋狀路徑，和/或可將該管路在上述機(jī)殼內(nèi)構(gòu)成一個(gè)或多個(gè)格子結(jié)構(gòu)部件。上述管路的橫截面位形并非必須始終如一地沿著它的長(zhǎng)度方向。
如附圖所示，上述管路在其靠近所述機(jī)殼的進(jìn)口A處和出口B處的外邊部分可以是隔熱的，例如，可采用膨脹聚苯乙稀套管來(lái)隔熱。
管路1內(nèi)部部分7含有細(xì)密分隔的金屬材料9，例如，絨毛狀金屬絲，以幫助收集熱量。
同時(shí)，在上述管路位于B處和抽取熱量的散熱片14之間的部分配置四個(gè)軸向相互隔開(kāi)的換熱器15，每個(gè)換熱器都由一組面、面相對(duì)的平板2構(gòu)成。后面將結(jié)合圖2、圖3和圖4對(duì)這些平板2作進(jìn)一步描述。此外，整個(gè)管路1、壓縮機(jī)11和儲(chǔ)存器12中都充有一種適用于熱-聲致冷器的流體，例如氮。
儲(chǔ)存器12的作用是把壓縮機(jī)11和管路1中的氣體壓力維持在一個(gè)適當(dāng)?shù)钠骄缴稀嚎s機(jī)11可以是一種含有一個(gè)往復(fù)式活塞(圖中未標(biāo)出)的壓縮機(jī)。壓縮機(jī)11的任務(wù)是在管路1內(nèi)的流體里產(chǎn)生一個(gè)周期性的壓力變化，以在該流體中沿該管路的長(zhǎng)度方向產(chǎn)生一個(gè)間頻駐波。正如本發(fā)明前面所述的以及前面提到的已有技術(shù)文獻(xiàn)所指出的，這將使上述工作流體通過(guò)所述換熱器作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，造成局部流體的壓力改變，這兩個(gè)結(jié)果將最終導(dǎo)致從上述換熱器靠近所述壓縮機(jī)的一側(cè)(即從上述管路位于機(jī)殼10中的部分7)到該換熱器的另一側(cè)(即上述管路1與抽取熱量的散熱片14相連的部分)一個(gè)凈的熱量傳遞。
如上所述，每個(gè)換熱器15都包含一組平板2，沿管路4的軸向使這些組平板相互分開(kāi)。圖2表示管路1的其中一組平板的剖面，其它三組平板的每一組與此相似。圖中的這組平板2彼此平行并平行于管路1的軸向延伸，這些平板彼此是隔開(kāi)的，這樣，上述工作流體能從它們之間通過(guò)。如圖3和圖4所示，每個(gè)平板的每個(gè)表面都有一個(gè)二維分布的凸緣陣3，該凸緣陣從上述平板的所述表面上略微伸出、插入到所述工作流體的層流邊界層4中。
每個(gè)換熱器也可以包括一條帶狀材料盤繞成的卷板(a coiled strip)，該卷板的各卷彼此隔開(kāi)，以使流體從各卷之間流過(guò)。這樣的卷板可以代替上述的平板。
同樣，如果不用上述導(dǎo)熱凸緣，也可在每個(gè)平板2上設(shè)置一系列軸向隔開(kāi)的凸條，這凸條橫過(guò)上述平板。象上述凸緣一樣，這些凸條以一個(gè)精心考慮的深度伸入上述工作流體的邊界層4中。上述凸緣或凸條既引起一個(gè)可控制的渦旋系統(tǒng)的形成(典型情況如圖6所示)，又通過(guò)在所述高階處的熱交換，引起熱能沿上述換熱器的附加轉(zhuǎn)移。這些凸條或凸緣同時(shí)也在所述換熱器表面構(gòu)成一系列局部的熱源/冷源部位，這些熱源/冷源部位能增大在每一個(gè)換熱器的上述表面和該換熱器主體之間的熱相位延遲(這點(diǎn)將在對(duì)圖6的描述中作說(shuō)明)，最好這個(gè)延遲值增大到大于45°。
如果不用凸緣3，也可用前述的一系列帶子或凸條(圖中未畫出)來(lái)替代凸緣3，這些帶子或凸條沿橫過(guò)上述工作流體流動(dòng)的方向延伸，即，使得從橫截面看去，它們就象圖4中的那些凸緣。
作為一個(gè)例子，換熱器平板2可以用開(kāi)普頓(Kapton)、玻璃、石英、硅或陶瓷制成。這些平板的厚度可小于0.5mm。同時(shí)，可以用任何適當(dāng)?shù)姆绞桨唁X沉積在平板2上，形成上述這些凸緣或帶子。這些凸緣或帶子的厚度可小于0.5μm，寬度可為0.125mm，彼此間距可為0.175mm。
所述工作流體可以用壓力為10個(gè)大氣壓的氮。如圖2和圖4中的箭頭5所示，所述氮的局部的整體遷移距離可達(dá)0.5mm或更大。
如果不用扁平板或一個(gè)卷板，上述換熱器也可包含一系列套裝的同軸管狀平板(未畫出)，在該平板的上述表面上也有許多凸緣或窄條。
參考圖5、圖6、圖7和圖8，我們看進(jìn)一步的實(shí)施例。
圖5是一個(gè)管路的示意圖，該管路左端封封閉，右端裝有一個(gè)振蕩器，該振蕩器在上述管路中激發(fā)聲學(xué)效應(yīng)。
如果我們考慮處于上述管路中X位置上的一部分氣體的絕熱效應(yīng)，那么，當(dāng)該部分氣體被以所述管路的諧振基頻激發(fā)，而且該部分氣體遷移一段距離S時(shí)，可以證明在上述氣體中存在一個(gè)溫度分布并可導(dǎo)出一個(gè)局部溫度梯度-1.5708(-1) (Tx)/(L) cot (πx)/(2L) (方程A14)也就是說(shuō)，如果略去所有的熱流動(dòng)，上述管路中所述封閉端處的氣體分子比開(kāi)端的氣體分子熱。如果此時(shí)抽走熱量，以后再重新對(duì)該氣體補(bǔ)充熱量，雖然各個(gè)氣體部分的實(shí)際行為自然不再是嚴(yán)格絕熱的，卻已可導(dǎo)致一個(gè)有利的抽熱條件(heat pumping condition)。這就是熱-聲和脈沖管致冷的基本概念。
為提高這種抽熱系統(tǒng)的效率，本發(fā)明對(duì)所用的熱交換和暫時(shí)熱儲(chǔ)存系統(tǒng)進(jìn)行了合理設(shè)計(jì)。
在大多數(shù)以前就研究過(guò)的上述氣體在熱交換器表面流動(dòng)的問(wèn)題中，通過(guò)在氣體中產(chǎn)生隨機(jī)湍流的方式，可以改善熱交換。不過(guò)，上述湍流中有很多對(duì)熱交換并沒(méi)有幫助，并且還有這樣的缺陷，即氣體分子間的碰撞會(huì)破壞上述氣體流動(dòng)的運(yùn)動(dòng)壓力(kinetic head)。在熱-聲和脈沖管致冷的振蕩式流動(dòng)狀態(tài)條件下，如果這種隨機(jī)情況出現(xiàn)的話，將大大降低系統(tǒng)的性能。然而，在本發(fā)明中，并未出現(xiàn)變化無(wú)常的破壞運(yùn)動(dòng)壓力的情況，而且結(jié)果還如圖6的情形所示，圖中的初始湍流狀態(tài)強(qiáng)度和相對(duì)于上述平板的熱交換強(qiáng)度之間呈現(xiàn)很強(qiáng)的相關(guān)性。
在這部分內(nèi)容中，可以證明，在振蕩運(yùn)動(dòng)條件下，沿一個(gè)極窄的縫隙的寬度方向的速度分布曲線近似為拋物線型。此時(shí)，由于能量的損失，將無(wú)法形成有用的聲學(xué)諧振狀態(tài)。如果上述縫隙比較寬，那么，層流流動(dòng)速度的分布曲線的輪廓更加接近矩形，這樣自然很容易形成并維持住諧振聲學(xué)狀態(tài)?？梢宰C明，要想形成這種有益的聲學(xué)狀態(tài)，一個(gè)近似地相應(yīng)的縫隙寬度H滿足KH＝2.5Π (1)其中K2＝W/2γ (2)這里W是以弧度/秒為單位的諧振頻率，γ為對(duì)上述氣體的運(yùn)動(dòng)粘滯度。
作為一個(gè)例子，在正常的環(huán)境溫度和壓力下，對(duì)于干燥空氣，當(dāng)上述諧振頻率為400周/秒時(shí)，這個(gè)H的值約為1mm。
正象前面所說(shuō)的那樣，可以證明，用圖6和圖7中所示的帶有精密加工的臺(tái)階的系統(tǒng)，能夠產(chǎn)生一個(gè)可控制的局部渦旋狀態(tài)，該渦旋狀態(tài)增大了相對(duì)于上述平板的熱交換。在這部分內(nèi)容中，可以證明，每個(gè)凹槽處的能量損耗或上述渦旋強(qiáng)度當(dāng)2.5Π≤KH≤5Π時(shí)可近似地表示為2.60 (h-3u-2)/(h22g) (3)這里h=h｛1+ (凹槽寬度)/(10.4×凸條寬度) ｝ (4)U是上述流體整體的運(yùn)動(dòng)速度的峰值，H是上述換熱器各個(gè)平板之間的距離，g是重力加速度，h是上述凸條高度。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員容易看出，這樣設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)可以在不破壞該系統(tǒng)的聲學(xué)值Q值的前提下有效地實(shí)現(xiàn)熱交換。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員還很容易看出，上述主要的熱交換狀態(tài)出現(xiàn)在所述高階位置，而且由此，通過(guò)把上述凸緣做成導(dǎo)熱部件，能減弱氣體運(yùn)動(dòng)效應(yīng)。事實(shí)上，如果我們認(rèn)為所述凸緣具有導(dǎo)熱性能，但熱容易又非常小，那么，可以證明，例如對(duì)于圖7所示的幾何結(jié)構(gòu)，在沒(méi)有熱泄漏的情況下，瞬態(tài)溫度分布如圖8所示，而且，熱量輸入和儲(chǔ)存之間有效相角為50.6°。對(duì)于一個(gè)通常認(rèn)為損耗是主要的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這點(diǎn)是一個(gè)有意義的發(fā)現(xiàn)。
為達(dá)到最大的聲學(xué)效率，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員會(huì)把上述換熱器平板的端面做成錐形和/或使各平板的長(zhǎng)度不等，以降低聲反射(這種聲反射能形成諧波)。此外，上述管路沿長(zhǎng)度方向的各處供氣體流動(dòng)的橫截面積的大小當(dāng)然可不一樣，總之，在所述換熱器區(qū)域中，上述管路的橫向尺寸可以做得比別處更大，以便能充許設(shè)置換熱器結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種含有一個(gè)換熱器和一種工作流體的冷卻裝置，其中該工作流體與所述換熱器接觸并作運(yùn)動(dòng)、壓縮和膨脹，以產(chǎn)生一種冷卻效果，上述換熱器至少確定一個(gè)表面，所述工作流體靠著該表面流過(guò)，上述表面有許多部分伸出插入到所述工作流體中，這是為了在該工作流體的層流邊界層的流動(dòng)中造成局部不連續(xù)性，由此，既改進(jìn)了上述換熱器和所述工作流體之間的熱交換，也改進(jìn)了所述工作流體和上述換熱器之間的熱交換，而且進(jìn)一步，為增加上述表面與確定該表面的構(gòu)件主體之間的熱相位延遲，以造成局部熱源/冷源部位。
2.如權(quán)利要求1所述的一種冷卻裝置，其特征在于所述冷卻裝置中有一個(gè)細(xì)長(zhǎng)形的外殼。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種冷卻裝置，其特征在于所述換熱器包括許多扁平薄板，這些扁平薄板彼此之間以及與上述細(xì)長(zhǎng)形外殼的軸之間近似平行地延伸。
4.如權(quán)利要求1或2所述的一種冷卻裝置，其特征在于所述換熱器包括一個(gè)薄材料的卷板，該卷板沿著大致與上述細(xì)長(zhǎng)形外殼的軸向平行的方向延伸。
5.如權(quán)利要求1或2所述的一種冷卻裝置，其特征在于所述換熱器包括許多套裝的同軸管狀板。
6.如上述各個(gè)權(quán)利要求中任何一個(gè)所述的一種冷卻裝置，其特征在于所述伸出插入上述工作流體中的部分包括許多凸緣。
7.如上述各個(gè)權(quán)利要求中任何一個(gè)所述的一種冷卻裝置，其特征在于所述冷卻流體是一種氣體或蒸汽。
8.包括上面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的一種冷卻裝置的一種致冷器。
9.一種致冷器，包括一個(gè)冷卻室和一些將被冷卻的貯存物品;一個(gè)環(huán)繞所述冷卻室的隔熱層;一種含有一個(gè)換熱器和一種工作流體的冷卻裝置，其中該工作流體與上述換熱器接觸并作運(yùn)動(dòng)、壓縮和膨脹，以產(chǎn)生一種冷卻效果，上述換熱器至少確定一個(gè)表面，所述工作流體靠著該表面流過(guò)，上述表面有許多部分伸出插入到所述工作流體中，這是為了在該工作流體的層流邊界層的流動(dòng)中造成局部不連續(xù)性，由此，既改進(jìn)了上述換熱器和所述工作流體之間的熱交換，也改進(jìn)了所述工作流體和上述換熱器之間的熱交換，而且進(jìn)一步，為增加上述表面與確定該表面的構(gòu)件主體之間的熱相位延遲，以造成局部熱源/冷源部位，上述冷卻裝置位于一個(gè)外殼里，該外殼在上述熱源區(qū)被隔熱，上述冷源區(qū)基本上處于上述冷卻室里，以進(jìn)行所述冷卻;一個(gè)使得流體從上述換熱器上通過(guò)的壓縮機(jī)。
10.如權(quán)利要求9所述的一種致冷器，其特征在于所述的壓縮機(jī)是一種往復(fù)式的壓縮機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明涉及諸如熱-聲和脈沖致冷器的冷卻裝置，它靠一種工作流體的壓縮和膨脹運(yùn)動(dòng)而工作，而且它能夠在上述工作流體的層流邊界層的流動(dòng)中產(chǎn)生不連續(xù)性并調(diào)整熱相位條件，由此，既改進(jìn)了熱交換又改進(jìn)了熱效率，而所述冷卻裝置可以組裝進(jìn)一臺(tái)致冷器。
文檔編號(hào)F25B1/00GK1051241SQ8910983
公開(kāi)日1991年5月8日 申請(qǐng)日期1989年10月24日 優(yōu)先權(quán)日1989年4月20日
發(fā)明者得里克·京·漢斯 申請(qǐng)人:空間公共有限公司