變壓吸附制冷機的製作方法

2023-06-04 12:42:56

專利名稱：變壓吸附制冷機的製作方法
技術領域：
本發明屬於製冷和低溫技術領域，尤其涉及變壓吸附制冷機。
背景技術：
在目前的市場上，大多數回熱式氣體制冷機都採用氣缸_活塞這種結構形式，例 如ST、VM、G-M和SV制冷機。由於G-M制冷機採用了汽缸-活塞結構，這種氣缸_活塞式氣 體制冷機包括氣缸、活塞、活塞環、驅動活塞運動的驅動機構以及與驅動機構配合開閉的進 排氣配氣機構。眾所周知，低溫制冷機氣缸是非常難於加工製造的部件，要求其具備很高的行為 和尺寸精度；活塞也要求具有較高的行為和尺寸精度以保證與氣缸的配合；活塞環是保證 冷熱腔之間隔離不洩露的唯一關鍵零件，其材料的選擇、結構和加工精度都密切影響其磨 損程度和制冷機的性能；活塞驅動機構和配氣機構及其配合規律導致結構複雜和製造成本 的提高。這些使得G-M制冷機很難微型化，並且加工難度和製造成本較大，同時也導致製冷 機工作時較大的噪聲和振動，難於應用於電子器件晶片的冷卻。另外，當前廣為使用的製冷設備大多採用氟利昂作致冷物質。然而氟利昂對地球 臭氧層的破壞使得國際社會不得不放棄繼續使用氟利昂。尋找新的製冷原理和方法就成了 一項急迫而十分有意義的工作。與蒸汽壓縮式製冷相比，吸附式製冷具有節能、環保、控制簡單、運行費用低等優 點；與液體吸收式系統相比，固體吸附式製冷適用的熱源溫區範圍大、不需要溶液泵或精餾 裝置，也不存在製冷劑的汙染、鹽溶液結晶以及對金屬的腐蝕等問題。所以相對於吸收式制 冷，吸附式製冷具有更為廣闊的應用範圍。

發明內容
因此，本發明的主要目的是想克服已有技術的不足，提供一種不使用氟利昂等類 似工質，省略常規制冷機的運動部件，不僅振動及噪音小，而且結構緊湊的變壓吸附製冷 機。為此，本發明提供一種變壓吸附制冷機，包括配氣閥和蓄冷器，其中，該制冷機還 包括用於單向傳熱的單向傳熱機構，該傳熱機構具有熱端散熱器和冷端換熱器，在該熱端 散熱器和冷端換熱器之間設有變壓吸附床，該變壓吸附床與配氣閥以及介於兩者之間的蓄 冷器流體連通，通過該配氣閥給該吸附床加壓時，該吸附床吸附放熱，產生的熱量從該熱端 散熱器散發到外部環境，而通過配氣閥給吸附床減壓時，吸附床解吸吸熱，從該冷端換熱器 吸收熱量，從而實現與冷端換熱器接觸或設置在其附近的物體或器件進行冷卻。在本發明中，配氣閥包括高壓閥和低壓閥，具有控制高壓氣體進入該吸附床和控 制氣體流出該吸附床的功能。根據本發明的一個方面，變壓吸附制冷機可以為氣體傳熱式變壓吸附制冷機，其 中單向傳熱機構還包括氣體傳熱腔，熱端散熱器和冷端換熱器分別布置在該氣體傳熱腔的上下兩端。氣體傳熱腔為剛性腔。當打開配氣閥送氣給吸附床升壓時，吸附床吸附放熱，當 吸附床周圍的溫度高於熱端散熱器周圍的環境溫度時，產生的熱量通過氣體傳熱腔中的自 然對流，將部分吸附熱傳向位於氣體傳熱腔上端的熱端散熱器。而打開配氣閥的低壓閥來 與低壓流道接通時，部分氣體流出變壓吸附床，使吸附床解吸降溫，當溫度低於冷端換熱器 周圍的環境時，氣體傳熱腔中也會產生自然對流，但方向與吸附床的吸附過程相反，而是吸 附床周圍溫度降低的氣體由於密度差驅動向下端的冷端換熱器對流，從而實現對冷端換熱 器的降溫。根據本發明的另一個方面，變壓吸附制冷機可以為熱管式變壓吸附制冷機，其中 單向傳熱機構包括西蒙腔，在這裡熱端散熱器和冷端換熱器為在西蒙腔內相互連接且分別 延伸到該西蒙腔外的熱端熱管和冷端熱管。其中熱端熱管的與冷端熱管的連接端為熱端熱 管的蒸發端，另一端為其冷凝端；冷端熱管的與熱端熱管相連接的連接端為冷端熱管的冷 凝端，另一端為其蒸發端。在本發明中，該西蒙腔為絕熱剛性殼體，在西蒙腔內，熱端熱管 和冷端熱管例如以熱耦合方式連接在一起，然而也可用其它合適的方式連接在一起。這裡 是利用工作在不同溫度的熱管分別來排出吸附床層中的吸附熱和將吸附床層中的解吸熱 (即製冷量)傳遞到冷端換熱器(即冷端熱管的蒸發端)。根據本發明的又一方面，變壓吸附制冷機可以為氣庫傳熱式變壓吸附制冷機，其 中，熱端散熱器為與變壓吸附床相流體連通的氣庫式散熱器，並且該冷端換熱器以流體連 通的方式布置在蓄冷器和變壓吸附床之間。另外，為了獲得更好的製冷效果，在變壓吸附床 和氣庫式散熱器之間還設有輔蓄冷器。對於上述變壓吸附制冷機，還包括絕熱罩體，其中蓄冷器、冷端換熱器、單向傳熱 機構均以與環境氣體隔絕的方式布置在該罩體構成的真空絕熱腔內。該罩體可以採用高真 空絕熱保溫，也可以採用其它任何合適的絕熱保溫形式。另外，本發明中所使用的蓄冷器是本領域普通技術人員熟悉的蓄冷器，其不僅具 有回熱功能，而且可自動回收一部分焓不平衡丟失的冷量，從而提高制冷機的製冷效率，使 變壓吸附制冷機達到所需的製冷效果。根據本發明的變壓吸附制冷機是利用變壓吸附過程中的解吸過程吸附劑吸熱產 生的製冷效應、並結合單向熱手段、通過配氣閥實現周期性配氣來實現連續製冷。這種製冷 機避免了傳統氣體制冷機製冷工質熱物性密切影響製冷性能的桎梏，實現固體製冷模式， 從而使制冷機擺脫環境不友好工質，有利於綠色環保制冷機的實現；並且不需要使用難加 工的氣缸、活塞、活塞環、驅動活塞活動的驅動機構、與驅動機構配合開閉的進排氣配氣機 構等部件，降低了這類制冷機的加工難度和製造成本；提高了制冷機的工作可靠性和壽命； 有效地降低了制冷機工作時的振動和噪音，可以使制冷機緊湊化和微型化。


以下，結合附圖來詳細說明本發明的實施例，其中相同的附圖標記代表相同的構 件，其中圖1是根據本發明的氣體傳熱式變壓吸附制冷機的結構示意圖；圖2是根據本發明的熱管式變壓吸附制冷機的結構示意圖；圖3是根據本發明的氣庫傳熱式變壓吸附制冷機的結構示意圖4根據本發明的變壓吸附制冷機的理論變壓吸附製冷循環T-s圖。
具體實施例方式圖1示出了根據本發明的一個實施例的氣體傳熱式變壓吸附制冷機，該制冷機例 如包括配氣閥1、蓄冷器2、單向傳熱機構3以及與配氣閥1和蓄冷器2流體連通的變壓吸 附床4，在該實施例中，單向傳熱機構3包括氣體傳熱腔5和分別位於該傳熱腔5上端和下 端的熱端散熱器6和冷端散熱器7。該氣體傳熱腔5優選為剛性腔，其中所述變壓吸附床4 位於該氣體傳熱腔5內。 在該實施例中，為了使氣體傳熱式變壓吸附制冷機獲得更好的製冷效果和較低的 製冷溫度，蓄冷器2布置在配氣閥1與變壓吸附床4之間並優選設置在氣體傳熱腔5內。在 本發明中，蓄冷器2可以是填料式結構，也可以是管壁式結構，並且可自動回收一部分因焓 不平衡而丟失的冷量，從而提高制冷機的製冷效率。另外，根據本發明，為了使制冷機具有更好的製冷效果，該制冷機還包括絕熱罩體 8，氣體傳熱腔5和冷端換熱器7以與環境氣體隔絕的方式布置在該罩體8構成的真空絕熱 腔9內。下面對氣體傳熱式變壓吸附制冷機的工作過程進行具體描述，在這種類型的製冷 機中，氣體傳熱機構3是利用氣體導熱遠遠小於自然對流的特性而實現吸附床不同方向的 傳熱。如圖1所示，配氣閥1包括高壓閥1H和低壓閥1L，將配氣閥1的高壓閥1H打開，向 吸附床4充氣，該吸附床升壓吸附放熱，使其周圍的溫度升高，當此處的溫度高於熱端散熱 器6處環境溫度時，在氣體傳熱腔5中的氣體將產生自然對流，將部分吸附熱以自然對流的 方式傳向位於氣體傳熱腔5上端的熱端散熱器6，而不會傳向位於其下端的冷端換熱器7。 當關閉配氣閥2的高壓閥1H，打開其低壓閥1L後，變壓吸附床4中的壓力降低，使吸附床4 解吸吸熱降溫，使其周圍溫度降低，當此處的溫度低於冷端換熱器7處的環境溫度時，氣體 傳熱腔5中的氣體將產生自然對流，溫度較低的氣體由於密度差驅動向下端的冷端換熱器 7對流，從而實現冷端換熱器7的降溫，這樣完成一個循環，如此周期性地打開高壓閥、關閉 低壓閥；關閉高壓閥、打開低壓閥，可以實現周期性的製冷過程，使冷端換熱器處的溫度降 低到需要的低溫。圖2示出了根據本發明的另一個實施例的熱管式變壓吸附制冷機，該制冷機例如 包括配氣閥1、蓄冷器2、西蒙腔5'、在該西蒙腔5'中相互連接的熱端熱管6和冷端熱管 7,以及與所述配氣閥1和蓄冷器2流體連通的變壓吸附床4。在該實施例中，變壓吸附床4 布置在西蒙腔5 『內，蓄冷器2以流體連通的方式布置在配氣閥1與吸附床4之間。在上述 實施例中，該熱端熱管6和冷端熱管7均延伸到西蒙腔5'外，熱端熱管6的與冷端熱管7 相連接的連接端為蒸發端6a，另一端為冷凝端6b，冷端熱管7的與熱端熱管6相連接的連 接端為冷凝端7b，另一端為蒸發端7a。為了實現更好的製冷效果，西蒙腔5'優選為絕熱剛 性腔。在該實施例中，制冷機是採用兩個工作在不同溫區的熱管來分別排出熱端熱管6 的蒸發端6a置於西蒙腔5'內，以在通過配氣閥1的控制即打開高壓閥1H對吸附床4充 氣時加壓來吸收其中的吸附熱；而其冷凝端6b置於大氣環境中，當吸附床處於吸附過程中 時，吸附熱使熱端熱管內的液體蒸發，在冷凝端6b冷凝，這樣可將吸附熱通過熱端熱管6傳遞到大氣環境中排出，從而確保吸附床層的溫度基本穩定在室溫下。冷端熱管7的冷凝端 7b位於西蒙腔5'內，而其蒸發端7a位於該西蒙腔5'外，並可以直接置於需要冷卻的物 體如晶片中，當關閉高壓閥1H，打開低壓閥1L對變壓吸附床4降壓時，吸附床進行解吸放 熱，解吸熱(即製冷量)使吸附床降溫，溫度低於冷端熱管7的冷凝溫度，冷端熱管7開始 工作，將來自其蒸發端7a的熱量源源不斷地傳遞到吸附床層，使吸附床4的溫度基本穩定 到冷端熱管7的工作溫度，同時冷端熱管7的蒸發端7a源源不斷地產生冷量。在該實施例中，優選在蒸發端7a上裝設有合適形狀的冷頭10，這樣可更有利於將 待冷卻物體的工作發熱通過冷端熱管7傳遞到西蒙腔5'內，來實現物體的冷卻。這裡，所 述兩熱管6，7優選採用例如熱耦合方式連接在一起，當然也可通過其它任何合適的方式連 接在一起。有利的是，熱管式變壓吸附制冷機可通過在不同溫度熱管的耦合來實現吸附床層 的多級串聯來獲得更低的製冷溫度。另外，在該實施例中，所述熱管可以是重力熱管，也可 以是毛細熱管和虹吸熱管以及其它任何合適類型的熱管。對於冷端熱管內的工質，可根據 冷卻溫度的不同來選擇。圖3示出了根據本發明的又一實施例的氣庫式變壓吸附制冷機，其包括以流體連 通方式順次連接的配氣閥1、蓄冷器2、冷端換熱器6、變壓吸附床4和氣庫散熱器7，配氣閥 1包括高壓閥1H和低壓閥1L，並且在吸附床4和氣庫散熱器7之間還設有輔蓄冷器2'。在升壓吸附過程開始時，打開高壓閥1H，高壓氣體通過蓄冷器2冷卻後進入吸附 床4，在吸附床升壓吸附並產生吸附熱，並在氣體繼續流過吸附床4時，使吸附熱被氣流帶 入輔蓄冷器2'中被部分吸收，然後通過小孔進入氣庫散熱器7並與外界環境換熱放出部 分未被輔蓄冷器2'吸收的吸附熱。將降壓解吸過程開始後，打開低壓閥1L，吸附床降壓解 吸製冷，吸附床中的低溫氣體回流到冷端換熱器6輸出冷量，再進入蓄冷器2，恢復溫度後 經過低壓閥排出。如此循環往復，即可在冷端換熱器2處連續不斷得到製冷。這種氣庫式 變壓吸附制冷機不需要其它傳熱介質，而是通過吸附床中氣體的強迫對流換熱來實現熱傳 遞。從圖1至圖3可以看出，為實現更好的製冷效果和較低的製冷溫度。上述變壓吸 附制冷機均設有絕熱罩體8，蓄冷器2、冷端換熱器7、單向傳熱機構3均以與環境氣體隔絕 的方式布置在該罩體8構成的真空絕熱腔9內。本發明優選採用高真空罩體絕熱保溫，然 而也可採用其它任何合適的絕熱保溫形式。在上述實施例中，變壓吸附制冷機具有結構簡單的特點，比較適合於製冷溫度不 是太低，冷量不要求太大的電子器件的冷卻等應用領域。工作原理變壓吸附製冷的製冷循環最重要的問題就是解決吸附劑床層的吸附熱和解吸熱 在不同熱源的排放，否則，吸附熱與解吸熱相抵消，不會產生製冷效果。圖4示意性地表示 出變壓吸附製冷循環中吸附劑所經歷的理想的循環過程，在吸附床升壓吸附時，將產生吸 附熱，這一熱量需要從吸附床層排出到室溫熱源；1 — 2表示在吸附床中氣體的絕熱吸附過 程，由於吸附熱和西蒙壓縮熱的產生，床溫升高，由T。一 Ta ;2 — 3表示吸附床等溫放熱過 程，即將吸附熱量排放到！；溫度熱源(在製冷循環中，該熱源為室溫環境)；3 —4表示在吸 附劑床中氣體的絕熱解吸過程，由於解吸熱和西蒙膨脹吸熱的產生，床溫降低，由Ta — T。；4 — 1表示吸附床等溫吸熱過程，即從低溫熱源T。吸熱而製冷。但由於吸附劑吸附時間、有 限傳熱、熱容等的影響，實際循環將如圖中虛線所示，如此，循環效率和製冷量將有所下降。
因此，儘管以上結合了說明書所給出的具體實施例對本發明做了詳細描述，但本 發明不應該被局限於上述具體實施例或所給出的特徵組合方式，而是應該由後續的權利要 求書來限定本發明的保護範圍。在不超出本發明精神的前提下，後續的權利要求書應涵蓋 那些落入等同範疇的實施結構和布置形式，而且本領域普通技術人員也可以按照本發明的 教導完成相應的修改和改進。
權利要求
一種變壓吸附制冷機，包括配氣閥(1)和蓄冷器(2)，其特徵在於，還包括用於單向傳熱的單向傳熱機構(3)，該傳熱機構(3)具有熱端散熱器(6)和冷端換熱器(7)，在所述熱端散熱器(6)和冷端換熱器(7)之間設有變壓吸附床(4)，該變壓吸附床(4)與所述配氣閥(1)以及介於兩者之間的所述蓄冷器(2)流體連通，操作該配氣閥(1)給該吸附床(4)充氣加壓時，該吸附床(4)吸附放熱，產生的熱量從該熱端散熱器(6)散發到外部環境，而操作該配氣閥(1)給吸附床(4)放氣減壓時，吸附床(4)解吸吸熱，從該冷端換熱器(7)吸收熱量。
2.根據權利要求1所述的變壓吸附制冷機，其特徵在於，所述單向傳熱機構(3)還包括 氣體傳熱腔(5)，所述熱端散熱器(6)和冷端換熱器(7)分別布置在該氣體傳熱腔(5)的上 下兩端。
3.根據權利要求2所述的變壓吸附制冷機，其特徵在於，所述氣體傳熱腔(5)為剛性絕熱腔。
4.根據權利要求1所述的變壓吸附制冷機，其特徵在於，所述單向傳熱機構(3)還包括 西蒙腔(5')，所述熱端散熱器(6)和冷端換熱器(7)為在所述西蒙腔(5 『)相互連接且 分別延伸到該西蒙腔(5')外的熱端熱管和冷端熱管，熱端熱管的與冷端熱管相連接的連 接端為蒸發端(6a)，另一端為冷凝端(6b)，冷端熱管的與熱端熱管相連接的連接端為冷凝 端(7b),另一端為蒸發端(7a)。
5.根據權利要求4所述的變壓吸附制冷機，其特徵在於，所述西蒙腔(5')為剛性絕 熱腔。
6.根據權利要求5所述的變壓吸附制冷機，其特徵在於，所述熱端熱管和冷端熱管以 耦合方式連接在一起。
7.根據權利要求1所述的變壓吸附制冷機，其特徵在於，所述熱端散熱器(6)為與該變 壓吸附床(4)流體連通的氣庫式散熱器，並且該冷端換熱器(7)以流體連通的方式布置在 該蓄冷器(2)和所述變壓吸附床(4)之間。
8.根據權利要求7所述的變壓吸附制冷機，其特徵在於，在所述變壓吸附床(4)和該氣 庫式散熱器之間還設有輔蓄冷器(2『)。
9.根據權利要求1至8中任一項所述的變壓吸附制冷機，其特徵在於，還包括絕熱罩 體(8)，所述蓄冷器(2)、冷端換熱器(7)、單向傳熱機構(3)以與環境氣體隔絕的方式布置 在該罩體(8)構成的真空絕熱腔(9)內。
10.根據權利要求1至8中任一項所述的變壓吸附制冷機，其特徵在於，所述配氣閥 (1)具有用於控制高壓氣體進入該吸附床(4)的高壓閥(IH)和控制氣體流出該吸附床(4) 的低壓閥(IL)。
全文摘要
本發明提供一種變壓吸附制冷機，其包括配氣閥(1)和蓄冷器(2)，其中還包括用於單向傳熱的單向傳熱機構(3)，該傳熱機構(3)具有熱端散熱器(6)和冷端換熱器(7)，在所述熱端散熱器(6)和冷端換熱器(7)之間設有變壓吸附床(4)，該變壓吸附床(4)與所述配氣閥(1)以及介於兩者之間的所述蓄冷器(2)流體連通，操作該配氣閥(1)給該吸附床(4)充氣加壓時，該吸附床(4)吸附放熱，產生的熱量從該熱端散熱器(6)散發到外部環境，而操作配氣閥(1)給吸附床(4)放氣減壓時，吸附床(4)解吸吸熱，從冷端換熱器(7)吸收熱量。
文檔編號F25B49/04GK101852511SQ20091008097
公開日2010年10月6日 申請日期2009年3月31日 優先權日2009年3月31日
發明者吳姮, 徐冬, 徐向東, 李來風, 龔領會 申請人:中國科學院理化技術研究所