專利名稱：微型制冷的方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明所討論的是在蒸汽壓縮熱力學循環(huán)中采用超臨界液體進行制冷的裝置與方法，更具體地說，討論進行此種循環(huán)所需要的小型設備，其典型應用包括電氣、電子、光學與便攜器件的制冷。
背景技術：
小型制冷機，又稱微型制冷機，正在被廣泛研制，以便用于計算機、服務器、電訊交換裝置、許多其它類型電子設備，以及便攜式冷凍箱、醫(yī)療設備和其它許多雖然并非便攜式器件，但體積設計小巧玲瓏的設備之中。直到不久前，此類設備通常使用電扇以及非機械散熱裝置等簡單裝置進行冷卻。由于對此類器件的性能要求越來越高，體積則要求越來越小，導致對此類器件的散熱要求日益提高，使傳統(tǒng)形式的冷卻在許多情況下不能防止器件過熱，從而導致器件故障。此外，許多器件設計人員的目標不僅僅是防止器件過熱，而且還想通過降溫提高產品性能。例如，如果溫度降低到足夠的程度，電子設備的運行速度就會加快。因此，目前不僅存在著要求小型設備能將器件冷卻到符合安全運行所需的溫度，而且還存在著對器件進一步制冷，使其達到能提高其性能所需溫度的需要。
人們投入了不少精力，研究以強制鼓風方式改進電子部件降溫的方法。由于空間與成本方面的考慮使能使用的風扇尺寸受到限制，人們把更多的注意力轉到了散熱裝置之上，因為散熱裝置以傳導方式帶走產熱組件的溫度，而風扇則通過強制對流達到此項目的。Lee(美國專利第5,653,285)提供了這方面的一個最新實例，其中的散熱片的設計構思提供了最大的熱交換效率。另一種普遍采用的改進散熱裝置效率的方法是將其制作為一個稱為珀爾帖冷卻器的熱電制冷裝置，它使散熱片與熱源連接處的溫度大大低于熱源的溫度。珀爾帖熱電冷卻器的缺點是要求輸入的功率大于能耗散的功率，因此是效率甚低的微型制冷手段。
散熱片配置的例子還有許多。最近公布的一些發(fā)明在散熱裝置中使用了一種冷卻液。Miller等人(美國專利第6,400,012號)描述了一種有冷卻劑循環(huán)通道的散熱裝置，該項配置的設計是為了降低產熱器件與散熱裝置內部的冷卻介質之間的熱阻。但該項專利并未提供具體的冷卻介質。Cole等人(美國專利第6,478,725號)進一步拓展了這一概念，提供了讓冷卻劑在密封容器內與產熱器件直接接觸的手段，該項手段為霧化式噴注，噴注后隨之凝結，并從容器中吸出，循環(huán)到另一器件中冷卻，然后返回密封室重復此項循環(huán)。此種冷卻劑與微晶片過于接近的配置從長遠看有可能會使微晶片失靈。
在更通常的情況下，人們把注意力更多集中于在Miller等人研制的小型熱交換器中進行間接冷卻。Vafai等人(美國專利第6,457,515號)描述了一種雙層微通道結構。冷卻液以分布方式通過遠方的熱交換器和其他設備進行循環(huán)。在該種分布系統(tǒng)中，系統(tǒng)組件彼此獨立，并不封閉于同一容器之中。Konstad(美國專利第6,407,916號)描述了體積更為緊湊的分布式散熱手段，采用散熱管在散熱器與氣冷式熱交換器之間來回傳送冷卻劑。
與冷卻相比，制冷增加了設計的復雜性，尤其是在要求將制冷循環(huán)的所有部件置于同一容器中時更是如此。Davidson等人(美國專利第6,497,110)展示了如何在一個將電子組件與周圍器件完全分離的裝置中實現(xiàn)此項要求，其部份目的是為了防止上述周圍器件上出現(xiàn)水汽凝結。其一項缺點是該項發(fā)明的首選版本不鼓勵與電子組件之間的來回傳遞信號的線路連接，而代之以光學連接手段。
目前的制冷電子設備系統(tǒng)體積龐大，可以導致電子設備總體體積的增加。Porter(美國專利第5,574,627號)、Wall等人(美國專利第6,054,676號)和Eriksen等人(WO 0125881A2)展示了此類系統(tǒng)的實例。在今天的環(huán)境中，擺在我們面前的挑戰(zhàn)是將此種制冷系統(tǒng)微型化，將其納入現(xiàn)有電器(包括手提電腦)的結構體系之中。
為求體積緊湊、效率良好，具有內工作流體循環(huán)的微型制冷器件的工作流體從熱力學角度看必須效率卓著。熱力學效率卓著的工作流體傳熱輕松，所需功率微乎其微。為安全起見，工作流體也必須無任何毒性，對環(huán)境無害。此類性能要求導致我們考慮采用超臨界二氧化碳作為工作流體。
在傳統(tǒng)的蒸汽壓縮式制冷循環(huán)中，熱能由處于蒸發(fā)狀態(tài)的液體以恒溫方式吸收，然后在亞臨界壓力冷凝器中釋放蒸發(fā)熱以及壓縮過程所增加的工作能之前，將蒸汽在高壓下壓縮，最后通過膨脹器解除壓縮，返回到蒸發(fā)器中吸收熱能，重新開始循環(huán)。此種循環(huán)的另一方案是在足夠高的壓力下將液體壓縮到超臨界狀態(tài)，使其在向冷卻介質釋放熱能時保持其超臨界狀態(tài)。在制冷中，冷卻介質通常是空氣，但也可以是另一種液體，例如海水。然后，隨著工作流體的膨脹，回到亞臨界狀態(tài)并凝結，隨后返回到蒸發(fā)器中重新吸收熱能。此類循環(huán)稱為跨臨界循環(huán)。
在整個蒸汽壓縮式制冷的歷史中，亞臨界循環(huán)始終是一項規(guī)范。此類循環(huán)所使用的含氯氟甲烷(CFC)工作流體從二十世紀三十年代開始風行一時。當時此類液體被認為是無毒和安全的。但到了二十世紀七十年代初期，人們認識到了含氯氟甲烷(CFC)對環(huán)境的危害，特別是對大氣臭氧層的破壞。這使得人們對二氧化碳重新發(fā)生興趣；二氧化碳既可以在全部亞臨界循環(huán)中運作，也可運行于跨臨界循環(huán)中，以提高效率。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是改進小規(guī)模制冷器件的設計與運行，提高其工作效率，以便在特定體積下提供足夠的冷卻能力，并使此種制冷器件的體積縮小到能安裝在電子器件或其他小型電器設備的外罩之內，或者作為其外罩的一部份。
本發(fā)明的另一個目的是將制冷器件組裝成為整體裝置，以便將其納入電子器件或者其它小型電器之中。
本發(fā)明的再一個目的是從驅動電子器件或其它小型電器的公用市電獲取運轉制冷器件所需的動力，除制冷過程中所耗散的動力外，不需要更多的動力。
本發(fā)明的還有一個目的是提供足以延長電子組件運轉壽命，或者提高上述組件運轉速度的制冷能力，使其超過傳統(tǒng)非制冷手段所能期望的性能。
本發(fā)明的再有一個目的是應用無毒性、對環(huán)境無害的工作流體來實現(xiàn)上述各項目標。
本發(fā)明所討論的是采用蒸汽壓縮循環(huán)的微型制冷裝置，該裝置包括(a)在跨臨界循環(huán)中使用天然的、對環(huán)境無害的工作流體；(b)壓縮工作流體的壓縮手段；(c)至少一臺將熱能從工作流體轉移到外界環(huán)境之中的熱交換器；(d)至少一臺將熱能從目標器件轉移到工作流體中的熱交換器；(e)工作流體膨脹用的節(jié)流裝置；(f)連接上述壓縮機、上述熱交換器和上述節(jié)流手段，使工作流體在跨臨界循環(huán)中循環(huán)的的閉合回路；(g)上述組件(a)至(e)置于同一個容器之內；(h)上述容器與上述目標器件相接觸本發(fā)明還討論在上述裝置中，天然的、對環(huán)境無害的工作流體是從二氧化碳、水和天然烴等物質組合中選取的至少一種物質。
在上述裝置中，壓縮機為往復式或者離心式，在低壓下運轉。至少一臺熱交換器為微通道式。此外，上述裝置的微通道的剖面可以是橢圓形，或者是多邊形。
上述裝置中采用的渦輪機置于兩個熱交換器之間，既可以是脈沖式渦輪機，也可以是反擊式渦輪機。渦輪機在兩臺熱交換器之間進行節(jié)流，在節(jié)流過程中產生有用功。上述渦輪機在能源方面可與壓縮機耦合，以回收能量。
上述裝置帶節(jié)流閥循環(huán)運轉時，能增強冷卻能力，提高能效率。
上述裝置的其它方面包括以無油的天然的、對環(huán)境無害的工作流體運行。耗電在100瓦或以下的上述容器體積不超過10厘米3/瓦。裝置還可包括一個或多個將有用功從高壓側轉移到低壓側的中間冷卻器；一個或多個將氣體與液體分離的分離器；一個節(jié)流用的噴射器，該噴射器置于熱交換器之間。上述中間冷卻器、分離器和噴射器可以提高循環(huán)的效率。
在上述裝置中，壓縮手段、節(jié)流控制手段、電動機或者其組合均由調節(jié)手段進行調節(jié)。傳感器監(jiān)測與控制溫度以及與溫度相關的現(xiàn)象。裝置從目標器件的公共動力網(wǎng)獲取動力，或者也可從獨立的動力源獲取電力。絕熱可以防止裝置外罩出現(xiàn)凝結水，亦可防止目標器件外罩出現(xiàn)凝結水。
在上述裝置中，一個或多個熱交換器可以安裝在外部。上述熱交換器將熱能從目標器件轉移到工作流體中，熱交換器包括在閉合回路之中。安裝在外部的熱交換器可以插裝在目標器件組件集合之中，與目標器件的組件接觸，包括與目標器件的組件直接接觸。
一種采用蒸汽壓縮循環(huán)的微型制冷方法，包括a.取得天然的、對環(huán)境無害的工作流體；b.壓縮上述工作流體；c.通過一臺或者多臺熱交換器將熱能從工作流體轉移到外界環(huán)境之中；
d.對上述工作流體進行膨脹；e.通過一臺或多臺熱交換器將熱能從另一個外界環(huán)境轉移到工作流體之中；f.將上述組件連接在一個閉合回路之中；g.通過包括超臨界高壓和亞臨界低壓狀態(tài)的循環(huán)在上述回路中循環(huán)上述制冷劑；h.對外界環(huán)境(e)制冷。
其中微型制冷方法之所以能夠得以實現(xiàn)，是因為按照本發(fā)明裝置的性能特點采用了上述裝置。


以下是本發(fā)明的詳細描述，描述中參照了以下插圖圖一為本發(fā)明的跨臨界蒸汽壓縮循環(huán)的示意二為具有不耦合于壓縮機之上的渦輪膨脹裝置的集成微型制冷器的剖面三為圖二所示壓縮機之一的細部四為圖二所示微型制冷器側面的細部圖，顯示在中央軸線附近排成陣列的三臺壓縮機圖五為圖二的側面細部，顯示相對于電動機的渦輪機定向圖六為渦輪膨脹裝置與壓縮機耦合的集成微型制冷器的剖面圖具體實施方式
定義“離心型”指具有產生離心力的轉動部件“壓縮沖程”指壓縮機機械部件運動的長度或者行程“壓縮機”指用機械、電力、磁力或者以上方式的組合一步或分級對液體增壓的裝置“冷凝器”指將熱能從工作流體轉移到外界環(huán)境中的裝置
“能耦合”指將能量從一個元件轉移到另一個元件“蒸發(fā)”指從外界環(huán)境向閉合回路加熱的過程“最終壓縮容積”指工作流體壓縮之后所占的起始容積部份“脈沖型”指一組葉片安裝在轉子之上，由噴嘴向葉片噴出液體使轉子轉動的渦輪機“中間冷卻器”指在循環(huán)內部的兩個元件之間進行熱交換，需要冷卻的元件將熱能傳送到需要加熱的元件上“等熵膨脹”指將液體膨脹到較低壓力，同時盡量保持熵值恒定“低電壓”指不超過120伏的直流或交流電壓“微型”指小到可以容納在目標器件的外罩之內“微通道”指高度或直徑小于2,000微米“微型制冷”指以微型設備進行制冷“微型制冷機”指除傳感器、控制裝置或電源接口外，容器內裝有微型制冷循環(huán)所需全部組件的裝置“天然無油工作流體”指在整個循環(huán)中完全不接觸潤滑油的、天然生成的工作流體“反擊型”指包含一組安裝在轉子上的活動葉片和一組安裝在定子上的固定葉片的渦輪機，兩組葉片都起將液體推向活動葉片的噴嘴作用，從而使轉子轉動
“往復型”指具有產生定期壓力波動的元件“分離器”指在閉合回路中將蒸汽與液體分離的裝置“亞臨界”指工作流體的壓力和溫度分別低于工作流體的臨界壓力和溫度“超臨界”指工作流體的壓力和溫度分別高于工作流體的臨界壓力和溫度“目標器件”指至少包含一個產生熱能的集成電路或內嵌控制裝置的電氣、電子、光學或便攜電器，包括計算機、服務器、電訊交換裝置、許多其它類型電子設備，以及便攜式冷凍箱、醫(yī)療設備和其它許多雖非便攜式器件，但體積小巧玲瓏的器件“跨臨界循環(huán)”指包括制冷劑的超臨界狀態(tài)和亞臨界狀態(tài)的循環(huán)“有用熱能”指能降低外來能源需求的熱能“工作流體”指經(jīng)受蒸汽壓縮的材料又稱工作流體實現(xiàn)本發(fā)明目的的方法為令所制作的設備能在閉合回路中循環(huán)工作流體，以葉輪對上述工作流體進行壓縮，使其壓縮到超臨界狀態(tài)，在保持上述超臨界狀態(tài)的同時令其通過熱交換器，將廢熱排放到外界介質，例如空氣或水中，隨后令工作流體膨脹，返回到壓縮之前的亞臨界壓力，對工作流體冷凝，將其溫度降低到適合于在蒸發(fā)器中再次吸熱所需的溫度。完成此項任務所需的設備集成于，或者包括在器件的外罩之內，或者是其一部份。
上述設備的組件包括(1)有微通道傳遞工作流體的熱交換器，該熱交換器位置應十分接近，乃至最好直接接觸所要冷卻的產熱器件；(2)一臺迫使工作流體進入超臨界狀態(tài)，并推動工作流體完成穿越全部組件閉合循環(huán)的壓縮機；(3)令工作流體與周圍流體(最典型的是空氣或水)進行熱交換，釋放出工作流體中熱能的熱交換器；(4)一個令工作流體回到亞臨界狀態(tài)的膨脹裝置，上述膨脹裝置可以是任何節(jié)流閥、渦輪機或者噴嘴；(5)在上述組件之間傳送工作流體的一種或者多種手段。上述組件集成為單一的封閉式成套器件，其外側僅留出連接控制裝置和電源的導線。
在集成組件中循環(huán)的工作流體沒有毒性，對環(huán)境無害。在本發(fā)明的一項優(yōu)先選擇中，工作流體為二氧化碳。在本發(fā)明的另一項優(yōu)先選擇中，組件的制作與組裝允許我們在跨臨界循環(huán)中采用二氧化碳作為工作流體。
本發(fā)明提供了制冷技術的新方法與新裝置。本發(fā)明的制冷方法討論的是蒸汽壓縮循環(huán)及其裝置。系統(tǒng)至少包括一臺壓縮機、兩臺或多臺熱交換器、一臺電動機和一個用于節(jié)流和控制的組件，上述所有裝置全部連接于閉合回路之中，并集成為單一的微型成套器件。該項裝置目的是提供對目標器件進行冷卻的手段，目標器件包括，但不限于電氣和電子器件，最好是微型器件，以及至少包含一個產生熱能的集成電路或內嵌控制裝置的其它器件或組件。目標器件的例子包括大多數(shù)采用集成電路的器件，如各種類型的計算機、計算機組件、分析與實驗室設備、激光設備、遙感設備、射頻器件和微波器件。
微型制冷裝置利用了非毒性、對環(huán)境無害的工作流體的優(yōu)越性，此種工作流體能縮小上述組件的尺寸以及上述裝置的總體積。工作流體最好是二氧化碳、水、空氣或一種烴類?？梢约{入一種渦輪機或者其它形式的節(jié)流裝置，以提高冷卻能力和能效率。
圖一所示為微型制冷系統(tǒng)1的組件。系統(tǒng)1的尺寸為整個集成的成套器件不超過每瓦所需耗散熱能10厘米3的所需體積，所需消耗的電力不超過100瓦，通過閉合通道6循環(huán)的工作流體送出吸熱裝置，進入由電動機4驅動，并從耦合器11獲得輔助動力的低壓壓縮機3的吸入口，雖然采用上述耦合器并非本發(fā)明的一項要求。隨后工作流體以與標準循環(huán)相似的方式循環(huán)，通過放熱器5。工作流體離開放熱器后進入渦輪機10，在渦輪機中膨脹到吸熱器要求的低壓。
圖一所示組件全部連接在對工作流體進行再循環(huán)的閉合回路之中。在正常工作狀況下，既不添加也不從系統(tǒng)中抽出工作流體。本發(fā)明的閉合回路在組件之間和整個系統(tǒng)中傳遞工作流體。在回路的不同位置，這些通道的形式可以是小口徑管道、纖細管道、或者內建于集成器件套管或者有效組件內部的通道，其中有些通道的形式為有蓋的微型槽式通道，其制作方法采用典型的微型機械加工工藝，例如蝕刻或者激光切割。
圖二所示為本發(fā)明用于對有集成電路的目標器件進行制冷的一項具體體現(xiàn)。該圖顯示了細節(jié)，標注了各部份的名稱，正如該圖所示，該項裝置包括往復式壓縮機、冷凝和蒸發(fā)用熱交換器和渦輪機，上述組件置于閉合回路之中，所有組件都連接在一起。裝置的所有組件都置于封閉外罩之中，形成單一的集成器件。裝置提供一種監(jiān)測手段，包括對操作變量、控制邏輯、變動操作變量的作動裝置進行監(jiān)測的傳感器。該項裝置的動力源可來自目標器件的公共動力網(wǎng)，也可來自獨立的動力源。
圖二所示的微型制冷裝置100安裝于集成電路的外罩上，其配置恰好使整體冷卻板101十分接近而且最好直接接觸集成電路板的外罩。裝置的一部份和外罩的周圍可加絕熱材料。系統(tǒng)的蒸發(fā)熱交換器102面朝下面對目標器件的上述外罩，恰好配置在冷卻板101的上方，在其正上方或者與冷卻板接觸。在另一項優(yōu)先考慮的實例體現(xiàn)中，冷卻板和蒸發(fā)熱交換器設計為同一個東西。
蒸發(fā)器102的正上方是渦輪膨脹器103。根據(jù)本發(fā)明，渦輪機可以用于節(jié)流。節(jié)流手段為蒸汽壓縮循環(huán)中的工作流體性能控制提供了一項額外的參數(shù)。節(jié)流的典型方法是控制孔徑。器件中所體現(xiàn)的任何節(jié)流方法都將被納入蒸汽壓縮循環(huán)之中，其位置與標準循環(huán)的孔徑位置相同，該項位置在冷凝器104與渦輪機103之間。
圖中所示的渦輪機103與壓縮機并不耦合。相反，渦輪機轉軸的配置與電動機軸線垂直。渦輪機將工作流體立即導入蒸發(fā)器102。離開蒸發(fā)器之后，工作流體進入與壓縮機入口相連的通道122。此項通道在微型制冷機外罩120內部，以對角線方式橫貫整個外罩體。
要實現(xiàn)節(jié)流，可對渦輪機軸施加剎車制動力(剎車在圖二中并未顯示)以控制在渦輪機膨脹時的質量流量。在上述配置方向的渦輪機可以是脈沖式或者反擊式設計。上述天然工作流體和上述節(jié)流手段的結合可使工作流體的膨脹延伸，越過等焓膨脹，進入等熵膨脹范疇。這種額外的膨脹使裝置增強了冷卻能力，提高了能效率。
電動機105配置時令其中心軸線與外罩的軸線一致。電動機軸106在電動機周圍偏心旋轉，為壓縮機頭陣列108提供往復運動。壓縮機形成以外罩軸線為中心的圓圈，在其中偏心電動機軸與軸承109一起旋轉。作為的活塞107往復運動的響應，壓縮機隔膜110交替地在活塞下行行程中吸入工作流體，而壓縮機入口止回閥111則在活塞上行行程中關閉，對工作流體進行壓縮，并經(jīng)由壓縮機出口止回閥112將其送入冷凝器104。外座圈113則包裹壓縮機頭總成。
從壓縮機排出的工作流體經(jīng)由出口座圈114進入冷凝器。冷凝器配置于接近風扇115的位置，與外界介質間接進行熱交換，該外界介質最好是空氣，它以逆流方式通過冷凝器芯。在此應該強調的是“冷凝器”這個術語只是一種口語的用語，在正常的作業(yè)狀態(tài)下，實際并不出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象。相反，工作流體在通過冷凝器內部的全過程中始終保持超臨界狀態(tài)?？諝馔ㄟ^冷凝器后進入送風室116，然后經(jīng)由外罩120表面的排風口排出。因此，冷凝用熱交換器面向上述集成器件的相反方向。風扇置于冷凝用熱交換器的頂端，用以對閉合回路進行散熱。工作流體流到冷凝器出口117，立即進入渦輪機入口118，重新開始循環(huán)。膨脹的工作流體流入蒸發(fā)器102，從冷卻板吸熱，然后從蒸發(fā)器出口119排出，進入壓縮機。為了繞過渦輪機和電動機，壓縮機供料管線內建于外罩120內部，與電動機呈對角線方向。
正如任何熟諳本項工藝的人所期望的那樣，微型制冷機內建有各項控制手段，以保持恰當?shù)臏囟扰c壓力。例如，冷凝器內部壓力可通過調節(jié)渦輪機軸的制動力、或者通過調節(jié)壓縮機的轉速或出口壓力、或者兼用這些手段進行控制。蒸發(fā)器和冷凝器上的溫度監(jiān)測器同時起到控制系統(tǒng)內壓力和流動狀況的作用。這些控制傳感器和驅動裝置并未在插圖上顯示，但已經(jīng)包含在設計之內。此外邏輯系統(tǒng)也可納入目標器件的電了元件之內。
圖三所示為壓縮機頭108的細部圖。圖中顯示活塞107正處于向隔膜110運動的上行行程。在上行行程中，入口止回閥111關閉，出口止回閥112開啟，將工作流體壓出出口座圈114，進入冷凝器104。在下行行程中，入口止回閥111開啟，出口止回閥112關閉，工作流體被吸入壓縮機。
共有三臺壓縮機排列為圓形，如圖四所示。偏心電動機軸106旋轉時，按順序推動壓縮機活塞。工作流體被推至出口座圈114，它是環(huán)繞微型制冷機圓周的連續(xù)座圈。工作流體從出口座圈進入冷凝器104。
圖五所示為軸向排列的主要組件的側視圖，是圖二至圖四各圖轉向90°的視圖。這一視圖著重強調渦輪機的取向，其軸線與電動機的軸線垂直。
圖六所示為本發(fā)明的另一項體現(xiàn)，其中渦輪機通過電動機軸與壓縮機耦合。這一版本在此后將被稱為耦合微型制冷機300。此項裝置置于外罩301之內。外罩底面306在外側包括冷卻板101，在其之內是蒸發(fā)器102。底蓋302對側面進行保護。頂面307有開口，露出冷凝器104。工作流體經(jīng)由外罩穿過系統(tǒng)的方式與以上所述非耦合系統(tǒng)相似工作流體從蒸發(fā)器出口進入壓縮機，然后傳送到冷凝器，從那里進入渦輪膨脹裝置，然后該裝置將工作流體排放到蒸發(fā)器，從而完成整個循環(huán)。在耦合微型制冷機300中，壓縮機108和渦輪機的配置使其正面相對，電動機303則在兩者之間。整套壓縮機—電動機—渦輪機總成由軸承304支承。軸封305防止工作流體在冷凝器或者蒸發(fā)器處出現(xiàn)短路繞行。在作業(yè)中，渦輪軸處產生的有用功被用于補充電動機向壓縮機輸送的功率。
在另一項優(yōu)先選擇的體現(xiàn)中，除裝置的單一集成器件內部的兩臺或多臺熱交換器之外，外加了一臺熱交換器。上述熱交換器安裝于裝置外部，但仍然與單一的裝置集成器件內部組件的回路連接。由管道將上述外部熱交換器與裝置集成器件內的組件連接，為工作流體提供在上述熱交換器和裝置之間流動的手段。和圖二所示的體現(xiàn)一樣，裝置的外罩附著在目標器件的外罩上。裝置和外罩的一部份周圍還可以圍繞絕熱物。上述外部熱交換器與目標器件的外罩整合，或者插入目標器件的外罩中，最好與其接觸，以便于蒸發(fā)。冷凝熱交換器背靠目標器件外罩，正面朝外。冷凝熱交換器頂端使用一個風扇，對閉合回路進行散熱。
本發(fā)明的另一項優(yōu)先選擇的體現(xiàn)包括插入一個或者多個中間冷卻器。中間冷卻器在來自冷凝器的工作流體和來自目標器件散熱用熱交換器的工作流體之間進行間接熱交換。這種交換對壓縮機吸入側的蒸汽加熱，從而減輕了壓縮機的負荷。
在本發(fā)明的還有一項優(yōu)先選擇體現(xiàn)中，熱交換器之間安放了一個分離器，對氣體和液體進行分離。分離器幫助向壓縮機和將熱能從目標器件轉移到工作流體的熱交換器提供氣態(tài)工作流體，從而增加了液態(tài)工作流體的數(shù)量。
本發(fā)明的另一項優(yōu)先選擇體現(xiàn)包括一個噴射器。除用作節(jié)流手段外，噴射器在將熱能從目標器件轉移到工作流體的熱交換器的入口前方產生一個真空效應，從而提高了效率。
表一所示為采用本發(fā)明的各項體現(xiàn)后所獲得的循環(huán)的性能系數(shù)(COP)改善情況的實例。正如表一所示，中間冷卻器或者渦輪機都能改善性能系數(shù)，但渦輪機改善性能系數(shù)的效率尤為突出。
例一在用渦輪機代替節(jié)流閥，但不加中間冷卻器的運行循環(huán)中，蒸發(fā)器保持恒溫5℃時，性能系數(shù)從2.12上升到2.93，提高28％，例二使用渦輪機但不用中間冷卻器的運行循環(huán)如允許蒸發(fā)器入口(或者渦輪機出口)的溫度從5℃提高到25℃時，性能系數(shù)可以提高兩倍以上，從2.93上升到6.15。
表一不同循環(huán)類型的制冷性能表現(xiàn)

表二插圖注釋1 循環(huán)組件2 吸熱器3 壓縮機4 電動機5 散熱器6 工作流體7 外界流體10 渦輪機11 耦合軸(選用件)100 微型制冷機101 冷卻板102 蒸發(fā)器103 渦輪機104 冷凝器105 電動機106 偏心軸107 活塞108 壓縮機頭109 軸承110 隔膜111 入口止回閥112 出口止回閥113 外座圈114 出口座圈115 風扇116 冷凝器送風室117 冷凝器出口118 渦輪機入口119 蒸發(fā)器出口120 外罩，或外殼121 壓縮機插件122 壓縮機入口200 內機體300 耦合微型制冷機301 耦合外罩302 耦合端蓋303 耦合電動機304 耦合軸承，單軸305 耦合軸封306 外罩底面307 冷卻板引用文獻美國專利文獻5,653,265 8/5/1997 Lee 165/1856,148,635 11/21/2000 Beebe et al. 62/4986,310,773 10/30/2001 Yusuf et al. 361/7046,400,012 6/4/2002 Miller et al.257/7126,407,9166/18/2002 Konstad 361/6876,434,9558/20/2002 Ng et al.62/1066,438,9848/27/2002 Novotny et al. 62/259.26,457,51510/1/2002 Vafai et al. 165/80.46,497,1101/24/2002 Davidson et 62/259.2al.
6,498,7251/24/2003 Cole et al. 36.1/7006,502,419 1/7/2003 Plister et al. 62/49權利要求
1.一種微型制冷裝置，其特征在于包括(a)一種使用于跨臨界循環(huán)中的對環(huán)境無害的天然工作流體；(b)一種對工作流體進行壓縮的壓縮機手段；(c)把熱能從工作流體轉移的外界環(huán)境的至少一臺熱交換器；(d)把熱能從目標器件轉移到工作流體的至少一臺熱交換器；(e)對工作流體進行膨脹的節(jié)流手段；(f)在跨臨界循環(huán)中連接上述壓縮機、上述熱交換器和上述節(jié)流手段的閉合回路；(g)組件(a)至(e)置于單一的容器中；(h)上述容器與上述目標器件接觸。
2.根據(jù)權利要求1所述的微型制冷裝置，其特征在于其中對環(huán)境無害的天然工作流體為從二氧化碳、水和天然烴這一組物質中選出的至少一種物質。
3.根據(jù)權利要求1所述的微型制冷裝置，其特征在于其中壓縮機為往復式。
4.根據(jù)權利要求1所述的微型制冷裝置，其特征在于其中壓縮機為離心式。
5.根據(jù)權利要求1所述的微型制冷裝置，其特征在于其中壓縮機為低電壓。
6.根據(jù)權利要求1所述的微型制冷裝置，其特征在于其中至少一臺熱交換器為微通道式。
7.根據(jù)權利要求6所述的微型制冷裝置，其特征在于其中上述微通道剖面的幾何形狀為蛋圓形。
8.根據(jù)權利要求6所述的微型制冷裝置，其特征在于其中上述微通道具有多邊形的剖面幾何形狀。
9.根據(jù)權利要求1所述的微型制冷裝置，其特征在于其中上述節(jié)流手段包括在兩臺熱交換器之間。
10.根據(jù)權利要求9所述的微型制冷裝置，其特征在于其中上述節(jié)流手段為渦輪機。
11.根據(jù)權利要求10所述的微型制冷裝置，其特征在于其中上述渦輪機為脈沖式。
12.根據(jù)權利要求10所述的微型制冷裝置，其特征在于其中上述渦輪機為反擊式。
13.根據(jù)權利要求9所述的微型制冷裝置，其特征在于其中上述渦輪機產生有用功。
14.根據(jù)權利要求13所述的微型制冷裝置，其特征在于其中上述渦輪機就能源角度而言與壓縮機耦合，以回收能量。
15.根據(jù)權利要求13所述的微型制冷裝置，其特征在于其冷卻能力有所增加。
16.根據(jù)權利要求13或權利要求14所述的微型制冷裝置，其特征在于其能效率有所提高。
17.根據(jù)權利要求1所述的微型制冷裝置，其特征在于其中的對環(huán)境無害的天然工作流體無油。
18.根據(jù)權利要求1所述的微型制冷裝置，其特征在于其中上述容器的能耗為100瓦或100瓦以下時，上述容器不超過10厘米3/瓦的微型制冷。
19.根據(jù)權利要求1所述的微型制冷裝置，其特征在于其中增加一臺或多臺中間冷卻器，以便把有用功從高壓側轉移的低壓側。
20.根據(jù)權利要求1所述的微型制冷裝置，其特征在于其中增加一臺或多臺分離器，以分離氣體和液體。
21.根據(jù)權利要求1所述的微型制冷裝置，其特征在于其中增加一臺節(jié)流用噴射器。
22.根據(jù)權利要求21所述的微型制冷裝置，其特征在于其中所述噴射器包括在兩臺熱交換器之間。
23.根據(jù)權利要求19至22所述的微型制冷裝置，其特征在于其中上述增加提高了循環(huán)的效率。
24.權利要求1所述的微型制冷裝置，其特征在于其中壓縮手段、節(jié)流手段或兩者的組合由調節(jié)手段進行調節(jié)。
25.根據(jù)權利要求1所述的微型制冷裝置，其特征在于其中傳感器監(jiān)測和控制溫度以及與溫度相關的現(xiàn)象。
26.根據(jù)權利要求1所述的微型制冷裝置，其特征在于其中裝置從目標器件的公共動力網(wǎng)獲取動力。
27.根據(jù)權利要求1所述的微型制冷裝置，其特征在于其中裝置從獨立動力源獲取動力。
28.根據(jù)權利要求1所述的微型制冷裝置，其特征在于其中采取絕熱措施，防止裝置外部出現(xiàn)凝結水。
29.根據(jù)權利要求1所述的微型制冷裝置，其特征在于其中采取絕熱措施，防止目標器件外部出現(xiàn)凝結水。
30.根據(jù)權利要求1所述的微型制冷裝置，其特征在于其中一臺或多臺熱交換器為外部裝置。
31.根據(jù)權利要求30所述的微型制冷裝置，其特征在于其中上述熱交換器將熱能從目標器件轉移的工作流體上。
32.根據(jù)權利要求30所述的微型制冷裝置，其特征在于其中上述熱交換器包括在閉合回路中。
33.根據(jù)權利要求30至32所述的微型制冷裝置，其特征在于其中上述熱交換器插入在目標器件組件集成外罩之內。
34.根據(jù)權利要求30至33所述的微型制冷裝置，其特征在于其中上述熱交換器與目標器件的組件接觸。
35.根據(jù)權利要求30至34所述的微型制冷裝置，其特征在于其中上述熱交換器直接接觸目標器件的組件。
36.一種微型制冷的方法，其特征在于該種方法采用蒸汽壓縮循環(huán)，包括(a)獲取對環(huán)境無害的天然工作流體；(b)壓縮上述工作流體；(c)通過至少一臺熱交換器將熱能從工作流體轉移到外界環(huán)境之中；(d)膨脹上述工作流體；(e)通過至少一臺熱交換器將熱能從另一個外界環(huán)境轉移到工作流體之中；(f)在閉合回路中連接上述組件；(g)通過包括超臨界高壓狀態(tài)和亞臨界低壓狀態(tài)的循環(huán)在閉合回路中循環(huán)上述工作流體；(h)對外界環(huán)境(e)制冷。
37.根據(jù)權利要求36所述的微型制冷的方法，其特征在于其中對環(huán)境無害的天然工作流體為從二氧化碳、水和天然烴這一組物質中選出的至少一種物質。
38.根據(jù)權利要求36所述的微型制冷的方法，其特征在于其中目標器件為選自電氣、電子、光學或便攜器件，最好是微型器件，以及具有至少一個集成電路和內嵌控制裝置的一組器件。
39.根據(jù)權利要求36所述的微型制冷的方法，其特征在于其中上述工作流體的壓縮由壓縮機完成。
40.根據(jù)權利要求36所述的微型制冷的方法，其特征在于其中上述工作流體的膨脹由渦輪機完成。
41.根據(jù)權利要求39所述的微型制冷的方法，其特征在于其中上述壓縮機為往復式。
42.根據(jù)權利要求39所述的微型制冷的方法，其特征在于其中上述壓縮機為離心式。
43.根據(jù)權利要求40所述的微型制冷的方法，其特征在于其中上述渦輪機為脈沖式。
44.根據(jù)權利要求40所述的微型制冷的方法，其特征在于其中上述渦輪機為反擊式。
45.根據(jù)權利要求40所述的微型制冷的方法，其特征在于其中渦輪機產生有用功。
46.根據(jù)權利要求44所述的微型制冷的方法，其特征在于其中上述渦輪機就能源角度而言與壓縮機耦合，以回收能量。
47.根據(jù)權利要求36至46所述的微型制冷的方法，其特征在于其中以等熵方式膨脹上述工作流體可增加冷卻能力。
48.權利要求36至46之中的所述的微型制冷的方法，其特征在于其中等熵膨脹提高效率。
49.根據(jù)權利要求36所述的微型制冷的方法，其特征在于其中采用一臺或多臺中間冷卻器，將有用熱能從高壓側轉移到低壓側。
50.根據(jù)權利要求36所述的微型制冷的方法，其特征在于其中采用一臺或多臺分離器分離氣體與液體。
51.根據(jù)權利要求36所述的微型制冷的方法，其特征在于其中中間冷卻器和分離器同時兼用，以便把有用功從高壓側轉移到低壓側，并分離氣體與液體。
52.根據(jù)權利要求36所述的微型制冷的方法，其特征在于其中無油工作流體增進循環(huán)的效率。
全文摘要
本發(fā)明描述一種體積小到足以裝入電子器件外罩和便攜式設備的集成自持微型制冷設備，該微型制冷設備采用在封閉回路中循環(huán)于蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器和渦輪膨脹器之間的工作流體，本發(fā)明的權利要求包括兩項配置一項是壓縮機和渦輪機分別在獨立的機軸上運行，另一項是渦輪機和壓縮機均在電動機機軸上運行。
文檔編號F25B9/06GK1646865SQ03808966
公開日2005年7月27日 申請日期2003年2月24日 優(yōu)先權日2002年2月22日
發(fā)明者萊理特·考迪亞, 布賴恩·莫依爾, 約翰·C·戴維斯 申請人:塔爾科技有限公司