环路型热虹吸管和斯特林冰箱 【技术领域】
本发明涉及一种环路型热虹吸管以及利用环路型热虹吸管的斯特林冰箱。
背景技术
散热器、热管、热虹吸管等等用于冷却产生热的装置或者热电冷却设备。对于散热器来说，温度分布是由在其上设置有热源的底座部分引起的。因此，当距热源的距离增加的时候，散热器产生很少的散热。同时，热管或者热虹吸管具有很高的传热能力，并且其特点在于，即使当将热传递到距离热源很远的部分地时候，也具有很小温度变动的特性。
另一方面，对于热管来说，工作流体的蒸气和液体在同一个管中流动。同样的，如果传热量大，必需要增加管的数量。例如，如果假设将温差设定为5℃，外径为15.8mm、长度为300mm的热管能够得到大约100W的传热量。如果将热最终释放到大气环境中，由于空气的传热系数低，因此为了与空气交换热，提供了包括具有很大的传热区域的冷凝部分的热管。管型热虹吸管也具有相似的特性，在管型热虹吸管中流体由于重力的原因流回到蒸发部分。
同时，也将环路型热虹吸管构造成使在冷凝器中冷凝的流体借助重力流回到蒸发器中。然而这里不但能够根据冷凝器的冷却方式设计冷凝器的形状和尺寸，而且可以根据热源的形状和尺寸来设计蒸发器。因此，在大多数情况下，具有用于连接冷凝器和蒸发器的两个管(也就是气体管和流体管)就足够了。这里，显然冷凝器必须放置在蒸发器的上方。
然而，在环路型热虹吸管中，在很多情况下，由于容纳的工作流体的类型或者在某种范围内热负荷的波动，环流速度基本不可能稳定并且热源的温度将有波动。众所周知，已经利用CFC(卤烃化合物)和基于HCFC的致冷剂作为在冷却设备中的工作流体或者作为二次工作流体。然而，为了保护臭氧层，根据国际条约不再使用这种基于CFC的致冷剂并且限制基于HCFC的致冷剂的使用。此外，一种新开发出的不会破坏臭氧层但基于HFC的致冷剂是一种能够获得比二氧化碳的全球变暖系数高几百至几千或者更多倍的产生温室效应的物质，并且需要对其进行排水的控制。因此，就环境保护的观点来说，对于环路型热虹吸管来说对能够作为工作流体的致冷剂的类型的选择是受到限制的。有利的环境的例子和所谓的自然致冷剂包括例如基于HC的致冷剂、氨、二氧化碳、水和乙醇以及它们的混合物的媒介。
如在图5中显示的，常规的环路型热虹吸管是通过利用管102、104将蒸发器101、冷凝器103和气液分离池106连接在一起构成的。热源105在蒸发器101中得到冷却。将冷凝器103放置在蒸发器101的上方。在冷凝器103中液化的工作流体通过在冷凝器和蒸发器之间配置的气液分离池106将其分离为气体和液体。工作流体的液体借助重力的作用穿过管104，并且从蒸发器101的较低部分引入到蒸发器中。此外，夺取了热源的热量的工作流体在蒸发器101中被蒸发，并且工作流体的蒸气借助在冷凝器和蒸发器之间的蒸气压力差通过管102引入到冷凝器103中。在大多数情况下，蒸发器101是根据热源的外形而设计的。在图5中，气液分离池106不是必要的。
公开号为11-223404的日本专利揭露了一种通过泵的方式冷却带有二次致冷剂的斯特林致冷装置的高温部分的方法。
然而，在常规的环路型热虹吸管中，工作流体的不稳定的环流速度很可能导致热源温度的波动。特别的，如果常规的环路型热虹吸管在远离所设计的目标负荷的负荷下操作，热源的温度通常会有很大的波动。如果热源的温度波动很大，不仅热源设备的性能不稳定，而且会损坏热源设备。
这里，假设利用环路型热虹吸管来冷却斯特林致冷装置的高温部分并且斯特林致冷装置安装在例如冰箱上。众所周知，冰箱的热负荷随着季节波动。当冰箱的热负荷波动的时候，从斯特林致冷装置的高温部分消散的热量也会变化。环路型热虹吸管在波动的热负荷的条件下经常展现不稳定的运转。这里，如果斯特林致冷装置的高温部分的温度波动较大，那么其中的影响并不限制在对斯特林致冷装置的COP(性能参数)的变动。如果高温部分的温度极高，那么可能损坏斯特林致冷装置的再生器。
图6显示了用于冷却热源的常规环路型热虹吸管的圆柱形蒸发器。蒸发器101为圆柱形是为了冷却圆柱形热源105。将圆柱形热源105装配在蒸发器的孔中，因此能够使热源与蒸发器的孔的表面密切接触。蒸发器的孔的表面上配置了内部翅片(没有示出)用来增加蒸发面积。来自冷凝器的液体通过管104并且通过蒸发器的较低部分流进液体池121，从蒸发器的上部排出的蒸气通过管102流到冷凝器中。
图7显示了使用在图6中显示的蒸发器和管装置并且容纳了作为工作流体的水的环路型热虹吸管在实验操作中的热源的温度变化。如果从热源中产生的热量不大于所设计的负荷的75％，将带来如图7中所示的热源温度的波动。即使当工作流体的容纳量变化的时候，也看不到改进。
本发明的目的是提供一种即使在热负荷具有很大的波动的条件下都能够维持高温热源的稳定温度的环路型热虹吸管和一种装备了这种环路型热虹吸管的斯特林冰箱。
发明概述
根据本发明的环路型热虹吸管利用工作流体从高温热源传递热。环路型热虹吸管包括：蒸发器，其具有热吸收部分并且通过热吸收部分夺取吸收高温热源的热量以蒸发工作流体；冷凝器，其设置在高温热源的上方并且冷凝在蒸发器中蒸发的工作流体；以及管，其用来连接蒸发器和冷凝器以形成一个环路。已经通过冷凝器的工作流体在汇集到蒸发器中工作流体的液体池之前与热吸收部分接触。
根据这种结构，已经冷却的工作液体由热吸收部分预热而不是将其直接提供给液体池，并且之后借助重力从上方提供工作流体。因此在液体池中产生流动，从而促进包括在液体池中的工作流体在内的作为一个整体的工作流体的蒸发。必然地，能够以确定的方式促进已经得到引导的以及最先与热吸收部分交换热的工作流体的蒸发，由此，高温热源中的温度分布是均匀的。此外，能够促进粘在热吸收部分或者类似物上的气泡的分离。因此，能够实现适于热负荷的波动的热交换，并且能够稳定高温热源的温度。
附图的简要说明
图1示出了本发明第一个实施例的环路型热虹吸管的基本结构。
图2显示了在本发明第一个实施例中的环路型热虹吸管的变型。
图3显示了本发明的第二个实施例中的斯特林冰箱。
图4显示了当使用本发明第三个实施例中的环路型热虹吸管时热源温度的稳定性。
图5显示了普通的环路型热虹吸管的结构。
图6显示了常规的环路型热虹吸管中的蒸发器。
图7显示了当使用常规环路型热虹吸管时热源温度的波动。
实现本发明的最佳方式
下面将参考附图对本发明的实施例进行说明。
(第一个实施例)
图1是说明本发明的第一个实施例中的环路型热虹吸管的基本结构的构思图。在图1中显示的环路型热虹吸管是由蒸发器1、冷凝器3、从蒸发器1延伸到冷凝器3的气体管2、以及从冷凝器3延伸到蒸发器1的液体管4构成。在本实施例中，当将要得到冷却的高温热源5具有如图1所示的圆柱形散热表面的时候，蒸发器为带有圆孔的环形，该圆孔具有适于热源的圆柱形散热表面的尺寸。此外，使蒸发器的孔的表面处于与热源5的圆柱散热表面密切接触的状态，以减小接触热阻。冷凝器3为翅片管型，并且冷凝器通过围绕管流动的空气来冷却在管中流动的工作流体。
用来使工作流体在其中流动的管可以为并行流类型和螺旋类型中的任何一种。将冷凝器配置成气体的入口高于冷凝的液体的出口。从蒸发器1延伸到冷凝器3的气体管2具有比从冷凝器延伸到蒸发器的液体管4大的直径。因此，气体管2具有的流体阻力小于液体管4的流体阻力，因此阻止了工作流体的回流以及艰难的启动。根据所设计的热负荷和工作流体的热性质确定液体管的直径。为了形成热虹吸管，将冷凝器3放置在蒸发器1上。
在本实施例中，纯净水被容纳作为工作流体。这里，将容纳量假设为工作流体的质量，工作流体中的液体充满了冷凝器中的液体池的可能容量(例如，在冷凝器的出口的总管)、液体管的容量和蒸发器的容量的总容量的1/3至2/3，并且工作流体中的饱和蒸气在操作温度下充满了剩余的容量。这种容纳量允许工作流体的平稳运行。
对于操作过程，如图1中所示，水通过夺取蒸发器1中的高温热源5的热量得到蒸发。在蒸发器1中产生的蒸气利用由于在冷凝器3和蒸发器1之间的温度差异引起的蒸气气压差穿过气体管2并且在冷凝器3中流动，其中蒸气的热量被管外的空气所夺取，从而使蒸气得到冷凝。在冷凝器3中冷凝的液体由于重力的原因通过液体管4回到蒸发器1中。如此，重复包括工作流体的循环、在蒸发器中的热吸收以及在冷凝器中的散热的过程。
本发明的实施例的一个特点在于，如图1中所示，通过蒸发器的上部从冷凝器引入液体，而不是通过蒸发器的下部引入(参见图5)。在图4和5中显示的常规环形热虹吸管的结构中，将冷却的液体供应到蒸发器的底部。因此在蒸发器中汇集的液体的温度梯度在不促进蒸发的条件下不会相当大地影响流动。如果在远离设计的热负荷的条件下操作蒸发器，尤其是在很小的热负荷的条件下，粘在热传输表面上的气泡将会持续长时间增多。然后，液体会进一步在蒸发器中汇集并且这些气泡不可能漏出。如上所述，在常规热虹吸管中，由于工作流体的环流速度的变化或者流通的阻塞，导致在热源中引起显著的温度波动(参见图7)。
在图1所示的本发明的环路型热虹吸管中，来自冷凝器的液体通过蒸发器的上部引入，因此过冷的液体首先落在高温热吸收部分上或者落在没有示出的内部翅片上，在其上液体得到预热。内部翅片与热吸收部分连接并且向内形成，因此促进了汇集在蒸发器中的液体的蒸发。此外，当较冷的液体从蒸发器中的液体面上引入的时候，液体将会由于密度上的差异借助重力而向下运动。然后，搅动在蒸发器中的液体并且促进蒸发，由此，将分离和消灭存在于传热表面上的气泡。因此，根据本实施例的环路型热虹吸管即使在远离所设计的热负荷的条件下也能够获得稳定的热源的温度。
虽然在图1中显示的环路型热虹吸管没有提供气液分离池，但是如在图2中所示，可以将气液分离池6设置在冷凝器和蒸发器之间。然而，值得注意的是，在确定容纳量时，应该把气液分离池的内部容量作为液体管的一部分。气液分离池的供应能够有效获得环路型热虹吸管的稳定运转。
将乙醇以不大于60％的比率附加到水中作为工作流体，这样能够在操作或者运输期间降低容许的环境温度。
(第二实施例)
图3为根据本发明第二个实施例的配置有环路型热虹吸管的斯特林冰箱的示意图。在图3中的斯特林冰箱是由配置在冰箱主体19中的斯特林致冷装置、用于冷却斯特林致冷装置的高温部分的环路型热虹吸管、用于将斯特林致冷装置的低温部分的低温传递到冰箱内部的低温侧热交换系统、冰箱主体等等构成。虽然低温侧热交换系统是通过环路型热虹吸管实现的，但是其并不是本实施例中的重点。
将具有圆柱形高温和低温部分的斯特林致冷装置11装配在冰箱的背面。将用于冷却斯特林致冷装置的高温部分13的环路型热虹吸管的蒸发器1与斯特林致冷装置的高温部分连接并且进行密切接触。此外，冷凝器3配置在冰箱主体上，如图1所示，蒸发器1和冷凝器3彼此通过管子连接在一起，因此在本实施例中的环路型热虹吸管装配在斯特林冰箱上。将液体管4插入到蒸发器1的上部中。纯净水或者纯净水和乙醇的混合物作为工作流体被容纳。
低温侧热交换系统利用二次致冷剂将斯特林致冷装置的低温部分12的低温提供给具有冰箱冷却装置15的冰箱的内部。冰箱冷却装置15设置在冰箱的冷风道中。
当斯特林致冷装置11运转的时候，斯特林致冷装置的高温部分13的温度上升。然后，工作流体被加热并且在蒸发器1中蒸发之后通过气体管2流到冷凝器3中。在同一时间，通过风扇7的转动引入外部空气，因此来自蒸发器1的工作流体的气体得到冷却并且在冷凝器3中冷凝。在冷凝器3中液化的工作流体通过液体管4和导入管4a借助重力回到蒸发器1中。当液化的工作流体返回到蒸发器1中的时候，工作流体与热吸收部分1a和/或蒸发器的内部翅片(没有示出)进行接触用来交换热量。这样，获得了工作流体的自然循环并且将斯特林致冷装置11的热量传递给了外部空气。
斯特林致冷装置11的运转足以降低低温部分12的温度，流过低温部分的在热交换系统中的二次致冷剂失去热量。另一方面，在低温侧热交换系统中的二次致冷剂通过装配了阻尼器17的冷却风扇16的旋转从在冰箱冷却装置的冰箱内部的空气中吸收热量。在本实施例中，在低温侧热交换系统中的二次致冷剂借助重力获得自然循环。可选择地，循环也可以通过利用泵的循环装置自然地获得。如上所述，斯特林致冷装置11的低温持续提供给冰箱内部的空气。
此外，由冰箱冷却装置15的除霜产生的废水通过废水出口18排出。
(第三实施例)
图4显示了当使用根据本发明的第三个实施例的环路型热虹吸管的时候，高温热源的温度波动。在本实施例中的环路型热虹吸管仅仅通过改变在常规热虹吸管中的液体返回到蒸发器中的方式来实现的。换句话说，构成的环路型热虹吸管能够使返回的冷凝的工作流体与热吸收部分接触，不与液体池接触，从而代替了直接导入到液体池中。
在图4中显示的随时间变化的高温热源的温度显示了在与在常规环路型热虹吸管中相同的热负荷的条件下获得的效果。与图7中显示的常规环路型热虹吸管中的热源的很大的温度波动相比较，能够获得稳定的温度转变。
参考在本发明的每个实施例中的环路型热虹吸管和冰箱的效果，对包括在本发明的第一至第三实施例中所提及的那些尽可能多的实施例进行说明。
在本发明的一个实施例中，从具有散热表面的高温热源中传递热的环路型热虹吸管包括使高温热源失去热的蒸发器、装配在高温热源上的冷凝器以及将蒸发器和冷凝器连接到一起形成一个环路的管。环路型热虹吸管包含工作流体，并且当工作流体的液体引入到蒸发器中的时候，来自冷凝器的工作流体的液体下落到热吸收部分上，以交换热量。因此，能够提供可维持高温热源的稳定的温度的环路型热虹吸管。
此外，在根据本发明的不同于上面所述的一个实施例中，将内部翅片配置在构成环路型热虹吸管的蒸发器中的热吸收部分上，并且在冷凝器中冷凝的工作流体的液体通过蒸发器的上部引入到蒸发器中，因此工作流体的液体掉落到在蒸发器中的热吸收部分或者内部翅片上。这里，蒸发器可以为盒状或者可以为通过结合半圆部分的环形。可选择地，可以使用另外一个形状的组合。热吸收部分可以使圆柱形或者形成孔用来接收高温热源。根据上述的结构，在蒸发器中利用的来自高温热源的圆柱形散热表面的上半部分的热量的散热量和在其下半部分的散热量不一样大，能够对工作流体的液体进行预热并且能够获得在蒸发器中的高温热源的均匀稳定的温度。
在根据本发明的另一个实施例的环路型热虹吸管的配置中，将在蒸发器中产生的蒸气导入到冷凝器中的气体管的流体阻力比将在冷凝器中冷凝的液体导入到蒸发器中的液体管的流体阻力要小。根据这种配置，能够阻止在热虹吸管中的工作流体的回流和热虹吸管的艰难启动。
此外，在本发明的不同于上述那些实施例的一个实施例中，理想的根据从高温热源传递的热量，如果传递的热量非常大，那么管的流动阻力被设置得比较小，并且如果传递的热量很小，那么管的流动阻力被设置得比较大。如果管的直径是基于这种配置确定的，那么能够获得更加稳定的工作流体的环流速度。这里，例如将传递的热量的幅度的参考值设置为所设计的负荷的75％。也就是，如果从热源产生的热量不大于所设计的负荷的75％，那么管的流动阻力设置的较大，而如果超过了75％，那么管的流动阻力设置的较小。可选择地，可以使用另外一个参考值，例如所设计的负荷的50％。
在根据本发明的另一个实施例的环路型热虹吸管中，可将工作流体的容纳量设定为工作流体的质量，其中，在操作温度下，工作流体的液体充满了冷凝器中的液体池的可能的容量、液体管(管)的容量和蒸发器的容量的总容量的1/3至2/3，并且在操作温度下工作流体的饱和蒸气充满了剩余的部分。因此，能够消除由于工作流体的容纳量导致的不利。
根据本发明的另一个实施例的环路型热虹吸管使用了例如碳酸气体、水、碳氢化合物等等的自然致冷剂作为工作流体，并且能够提供环境友好的热交换技术。尤其当使用水作为工作流体的时候，能够获得不具有有毒或者易燃特性的安全的环路型热虹吸管。不大于60％的乙醇的添加能够扩展操作使用水作为工作流体的环路型热虹吸管的环境的温度范围。
根据上述的本发明的任何一个实施例，在装配了使用环路型热虹吸管的斯特林致冷装置的冰箱中，上述的环路型热虹吸管的蒸发器与斯特林致冷装置的高温部分交换热量。特别地，这些元件彼此之间产生紧密接触。此外，能够将冷凝器配置在比冰箱的斯特林致冷装置的高温部分的位置高的位置上。根据这种配置，甚至当斯特林冰箱的热负荷变化的时候，斯特林致冷装置也能够获得稳定的运转。此外，由于工作流体能够借由重力获得自然循环，因此没有必要提供一个泵。因此能够有效的获得高可靠性和有效性。
在本发明的每个实施例中的效果已经得到列举和解释。然而，在本发明中，根据覆盖了最广范围的一个实施例的环路型热虹吸管没有必要实现上面所述的每个实施例中的所有效果。在覆盖了最广范围的实施例中的环路型热虹吸管将仅仅获得适于热源负荷的波动的稳定运转。
虽然已经详细说明和描述了本发明，但是可以很清楚地理解，仅仅通过图解和例子的方式是不能作为对本发明的限定，本发明的精神和范围仅仅通过所附的权利要求书进行限定。
工业应用性
根据本发明的环路型热虹吸管能够吸收热源的热负荷的波动并且能够实现稳定的运转。因此，例如，在不使用CFC和没有温室效应的气体排出的条件下，如上所述的环路型热虹吸管用于冷却使用了斯特林致冷装置作为冷却装置的冰箱中的斯特林致冷装置的高温部分。环路型热虹吸管能够促进确保一年之内的稳定的冷冻特性。