專(zhuān)利名稱(chēng)：冷卻的方法和裝置的制作方法
本申請(qǐng)是1992年6月10日提交的編號(hào)為07/896，701申請(qǐng)的部分繼續(xù)申請(qǐng)。
本發(fā)明涉及一種通過(guò)強(qiáng)制循環(huán)使傳熱流體沿一循環(huán)路徑循環(huán)以冷卻一熱負(fù)荷的方法和裝置。本發(fā)明尤其涉及這樣一種方法和裝置，在這種方法和裝置中，一種致冷劑(最好以一種低溫冷卻的液體形式)，通過(guò)接觸一種飽和的氣體形態(tài)的致冷劑，轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N飽和的液體，所述飽和液體、飽和蒸氣或兩者的熱力能的一部分至少被用于促進(jìn)傳熱流體的循環(huán)，而傳熱流體則由所述的飽和液體和/或飽和蒸汽冷卻。
現(xiàn)有技術(shù)已提供多種冷卻方法和裝置，在這些方法和裝置中，一種致冷劑(諸如固體或液體二氧化碳、液體氮等)，被用來(lái)冷卻一種熱負(fù)荷和促進(jìn)一傳熱流體的循環(huán)，這種傳熱流體可包含釋放出的低溫蒸汽或低溫蒸汽與進(jìn)入或離開(kāi)熱負(fù)荷的空氣的混和物。這類(lèi)裝置的一個(gè)例子見(jiàn)美國(guó)專(zhuān)利3，163，022，在其中，所述的熱負(fù)荷是在一隔絕的冷凍室內(nèi)的易腐品。一絕熱的冷凍劑室由供給管道和返回管道連結(jié)于所述的冷凍室。所述的冷凍劑室有一含有干冰的熱交換器和一噴嘴，該噴嘴從該熱交換器伸入到設(shè)置在供給管道內(nèi)的一文杜里管型噴射器內(nèi)。干冰升華為氣體，該氣體進(jìn)入供給管道的噴射器內(nèi)，然后進(jìn)入冷凍室以冷卻易腐品。在冷卻易腐品的過(guò)程中被加熱后，該氣體就通過(guò)返回管道返回冷凍劑室。該返回氣體經(jīng)過(guò)熱交換器把熱量傳遞給干冰，此后與在噴射器內(nèi)的升華氣體混和。噴射器產(chǎn)生一個(gè)侈壓區(qū)以抽吸來(lái)自冷凍室的返回氣體且使之通過(guò)在冷凍劑室內(nèi)的熱交換器。這樣，升華的氣體的可用總熱力能的一部分(即焓和動(dòng)能的和)被用來(lái)作功使升華的氣體在冷凍劑室和冷凍室之間作強(qiáng)制循環(huán)。同時(shí)，升華氣體的冷卻勢(shì)能被用于冷卻易腐品。
由于裝置的自增壓作用，冷卻量和循環(huán)量是相互聯(lián)系的。因此，冷卻的程度和循環(huán)量必定受到限制。正如下面將要討論的，本發(fā)明提供一種冷卻方法和裝置，在這種方法和裝置中，與022’專(zhuān)利所揭示的已有技術(shù)的裝置相比，所提供的冷卻和冷卻液的循環(huán)可單獨(dú)地控制在一個(gè)較大的工作范圍內(nèi)。
本發(fā)明提供一種使傳熱流體沿著一循環(huán)路徑循環(huán)以冷卻一熱負(fù)荷的方法。根據(jù)這種方法，一種致冷劑被裝在一個(gè)壓力容器內(nèi)，在其中飽和液體和飽和氣體是以一液-汽分界面彼此分開(kāi)。該液-氣分界面保持在預(yù)定的水平面上。致冷劑以不大于其飽和溫度的溫度輸入到壓力容器內(nèi)且至少以飽和液體或飽和蒸汽的形式排離所述的壓力容器。在致冷劑從壓力容器排出后，熱量從傳熱流體傳向致冷劑，而傳熱流體通過(guò)所述的循環(huán)路徑進(jìn)行循環(huán)以使傳熱流體冷卻所述的熱負(fù)荷，由此而自身被加熱，隨后由排離壓力容器的致冷劑冷卻。傳熱流體的循環(huán)至少因飽和冷卻劑排出后的總的可用熱力的一部分被轉(zhuǎn)變成循環(huán)功而得到促進(jìn)。
另方面，本發(fā)明提供了一種用于冷卻熱負(fù)荷的裝置。該裝置裝有一壓力容器，所述的壓力容器用作容納一種致冷劑，致冷劑由飽和液體和飽和蒸汽組成，而由一個(gè)液-氣分界面互相分開(kāi)。壓力容器有一進(jìn)口用于以把不大于飽和溫度的致冷劑輸入壓力容器內(nèi)。一被加熱的溢流管伸進(jìn)壓力容器內(nèi)，使過(guò)量的飽和液體溢流到溢流管內(nèi)，并被汽化以形成飽和氣體。設(shè)有一使飽和致冷劑以飽和液體和飽和汽體的至少一種形態(tài)排出的排出裝置。還設(shè)置一用于加熱所述的被加熱的溢流管的裝置。此外，一裝置連結(jié)于該排出裝置，在飽和致冷劑排出后至少將其總的可用熱力能的一部分轉(zhuǎn)化為循環(huán)功，用于傳熱流體在循環(huán)路徑中的循環(huán)。在循環(huán)路徑中，傳熱流體冷卻熱負(fù)荷，自身由此被加熱。
在又一方面，本發(fā)明提供一種使傳熱流體沿循環(huán)路徑循環(huán)以冷卻熱負(fù)荷的裝置，它有一個(gè)壓力容器。所述的壓力容器用于含鈉由飽和液體和飽和汽體組成的一種致冷劑，飽和的液體和汽體由一液-汽界面彼此分開(kāi)。壓力容器有一進(jìn)口，用于將不大于飽和溫度的致冷劑輸入壓力容器內(nèi)，一溢流管伸進(jìn)壓力容器使過(guò)量的飽和液體溢流到溢流管內(nèi)。設(shè)置一排出裝置用于使致冷劑以至少一種液體和蒸汽的形態(tài)從壓力容器排出。一裝置連結(jié)于所述的排出裝置，在飽和致冷劑排出后，至少使其總的可用熱力能的一部分轉(zhuǎn)化為循環(huán)功用于使傳熱流體在循環(huán)路徑中循環(huán)。在循環(huán)路徑中，傳熱流體冷卻熱負(fù)荷，同時(shí)自身被加熱。前述的裝置由從壓力容器排出的致冷劑冷卻傳熱流體。一熱交換器至少有一通路連結(jié)于溢流管。所述的熱交換器的位置和結(jié)構(gòu)可使熱量進(jìn)一步從傳熱流體傳向已溢流到溢流管內(nèi)的過(guò)量飽和液體。結(jié)果，在被由從壓力容器排出的致冷劑冷卻之前，傳熱流體先被冷卻。還設(shè)有一裝置，用于從溢流管抽吸過(guò)量飽和液體使之通過(guò)熱交換器并把所述的過(guò)量飽和液體再輸入壓力容器內(nèi)。
輸入的致冷劑可以是不大于其飽和溫度的任何致冷劑而且事實(shí)上可以是兩相的致冷劑流。而最好是，輸入的致冷劑由一種低溫冷卻液體組成，這種低溫冷卻液在與飽和蒸汽接觸時(shí)將轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N飽和液體。用于轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)換能量來(lái)自相應(yīng)的凝縮為飽和液體形態(tài)的一部分蒸汽。這種轉(zhuǎn)變使輸入的低溫冷卻液的熱焓增加由此增加它在傳熱流體循環(huán)中的做功的能力。在一個(gè)采用一被加熱的溢流管的裝置中，所述的被加熱的溢流管可通過(guò)進(jìn)一步使熱量從傳熱流體傳遞到已溢流進(jìn)入被加熱的溢流管內(nèi)的過(guò)量飽和液體而被加熱。進(jìn)一步傳遞的熱量將使低溫冷卻液轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡偷闹吕鋭?，而不依賴于流速及在一較廣的工作范圍內(nèi)無(wú)需使用任何附加的控制系統(tǒng)或別的過(guò)程調(diào)節(jié)技術(shù)。上面所討論的本發(fā)明的這些方面都是重要的，因?yàn)樗鼈冊(cè)试S由該裝置供給的實(shí)際的冷卻勢(shì)能可通過(guò)對(duì)低溫液體的流速的調(diào)節(jié)而加以調(diào)節(jié)。此外，可從飽和的致冷劑取得的功的相對(duì)量(與冷卻量相比較)可通過(guò)改變致冷劑的源壓力加以調(diào)節(jié)，因?yàn)轱柡椭吕鋭┑臒犰蕦⑹沁@種壓力的一個(gè)函數(shù)。這個(gè)功的相對(duì)量還可通過(guò)調(diào)節(jié)氣/液排出的比例來(lái)加以控制。這樣，根據(jù)本發(fā)明，所供給的冷卻勢(shì)能和從致冷劑取用的功可在裝置中獨(dú)立地預(yù)先確定。請(qǐng)注意“低溫冷卻液態(tài)致冷劑”一詞是指具有低于該致冷劑的飽和溫度的、以液體形態(tài)存在的任何致冷劑。此外，在此處及權(quán)利要求書(shū)中所使用的“傳熱流體”可以指致冷劑本身。例如，該飽和的致冷劑，無(wú)論是以液體形態(tài)、氣體形態(tài)或液汽兩者的組合都可循環(huán)流向和流離熱負(fù)荷，隨后通過(guò)與從壓力容器排出的飽和的致冷劑混合而重新被冷卻?；蛘摺皞鳠崃黧w”可以是原來(lái)作為從壓力容器排出的致冷劑以及一另外的流體例如存在于一冷凍容器內(nèi)的空氣的混合物。此外，“傳熱流體”可以與所述的致冷劑完全不同，例如在一個(gè)冷凍容器內(nèi)的循環(huán)，不直接與該致冷劑接觸的空氣。下面將詳細(xì)說(shuō)明，“傳熱流體”的組成取決于利用本發(fā)明的具體裝置。還有，飽和的致冷劑的“總熱力能”一詞是指它的熱焓和動(dòng)能之和。
雖然本說(shuō)明書(shū)所附的權(quán)利要求書(shū)清楚地指出了申請(qǐng)人所認(rèn)為的本發(fā)明的主題，但相信如果結(jié)合附圖來(lái)討論時(shí)，將能更好地理解本發(fā)明。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)致冷的強(qiáng)制循環(huán)冷卻裝置，它與儲(chǔ)存低溫冷卻液的致冷劑儲(chǔ)存容器相連;
圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)致冷的強(qiáng)制循環(huán)冷卻裝置的一不完全的橫剖示意視圖;
參見(jiàn)圖1。圖中示出了一根據(jù)本發(fā)明的裝置10。裝置10與一儲(chǔ)存容器12相連，該儲(chǔ)存容器經(jīng)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)成儲(chǔ)存低溫冷卻狀態(tài)的液體氮。儲(chǔ)存容器12是一種壓力容器，它也可以設(shè)計(jì)成盛裝別的致冷劑，例如液體的二氧化碳、液體的氧、液體的氬等等。在這一方面，所述的術(shù)語(yǔ)“致冷劑”在此處或權(quán)利要求書(shū)中都將被理解為是指液體氮、二氧化碳、氧和氬。
本技術(shù)領(lǐng)域中的人都知道，容器12是具有增壓和調(diào)節(jié)系統(tǒng)的儲(chǔ)存容器。因此，從儲(chǔ)存容器12所供給的液體氮的壓力是可以預(yù)先確定的。裝置10本身與一冷凍室14相連，該冷凍室可以是一冷凍車(chē)的掛車(chē)或別的用于儲(chǔ)藏易腐品的絕熱容器。因此，冷凍室14是要由裝置10冷卻的熱負(fù)荷。然而，值得注意的是，這僅僅是列舉的一個(gè)例子，本發(fā)明適用于多種冷卻應(yīng)用場(chǎng)合，例如在形成塑料制品時(shí)作冷卻之用。
裝置10設(shè)有一壓力容器16，它適用于盛裝飽和液氮和飽和蒸氣20兩者由一液-汽分界面22分開(kāi)。儲(chǔ)存容器12的低溫冷卻液氮通過(guò)一進(jìn)口24進(jìn)入壓力容器16。進(jìn)入后，低溫冷卻液氮轉(zhuǎn)化為飽和液體18，此點(diǎn)在下文將加以充分說(shuō)明。設(shè)置一系列的檔板25以確保進(jìn)入的低溫冷卻液氮能接觸到飽和蒸汽20。
應(yīng)指出的是，在舉例說(shuō)明中采用低溫冷卻液氮并不意味著本發(fā)明的范圍限于低溫冷卻液氮。一種飽和液體致冷劑，例如飽和液氮也可用于裝置10中。另外，致冷劑也可以在兩相流的情況或狀態(tài)下進(jìn)入壓力容器16。
一溢流管26伸入壓力容器16內(nèi)，用于預(yù)定液-氣界面22的高度或換句話說(shuō)是預(yù)定壓力容器16將貯裝的飽和液體18或飽和蒸汽20的數(shù)量。下面將再詳細(xì)討論，飽和液體18和/或飽和蒸汽20在裝置10的使用過(guò)程中，是從壓力容器16排出的。相對(duì)于低溫冷卻液氮(或別的熱力學(xué)狀態(tài)下的其他可能的致冷劑)進(jìn)入壓力容器16的速度的排出速度，造成過(guò)量的飽和液體18的產(chǎn)生。這個(gè)過(guò)量的飽和液氮(飽和液體18)使飽和液體18溢入溢流管26。這樣，液-汽界面22的高度將保持恒定。應(yīng)予以指出的是，如果液氮是在飽和的兩相流的條件下進(jìn)入壓力容器16的，則蒸汽離開(kāi)壓力容器16的速度就必須大于蒸汽進(jìn)入壓力容器16的速度以便產(chǎn)生過(guò)量的飽和液體溢入溢流管26中。
如下面將討論的那樣，溢流管26被加熱以使其中的飽和液體18汽化成飽和蒸汽20。在溢流管26被加熱時(shí)，傳遞到飽和液18的總熱量將足以剛好產(chǎn)生飽和蒸汽20，這是因?yàn)樵谝缌鞴?6內(nèi)的飽和液體汽化時(shí)，飽和蒸汽20將沿溢流管26上升，由于熱量傳給了溢流管26，飽和蒸汽基本上不再參與任何熱量的傳遞。溢流量很自然地將是兩部分飽和液體18之和，一部分是轉(zhuǎn)變輸入的低溫冷卻液所必需的飽和蒸汽20的冷凝所產(chǎn)生，另一部分是由直接排出氣體而溢出的。很明顯，當(dāng)只有飽和液體18被取出時(shí)，供給溢流管26的熱量將被有效地傳遞其量剛好足以完成低溫冷卻液體和飽和液體之間的轉(zhuǎn)變。
如圖所示，溢流管26、壓力容器16和冷凍室14都以本技術(shù)領(lǐng)域所熟知的方式包復(fù)著一層絕熱層27。
壓力容器16還設(shè)置一排出飽和液體18的出口28和排出飽和蒸汽20的出口30。飽和液體18被排向一噴射器32而飽和蒸汽被排向噴射器34。被排離壓力容器16的氮，或所用的任何其他的冷劑，被用作所述的傳熱流體。正如下面將被討論的那樣，傳熱流體可以完全分開(kāi)且與所用的致冷劑不同。然而，在圖示的裝置中，氮將從噴射器32和34排入帶有數(shù)個(gè)分配噴咀38的一分配歧管36內(nèi)。隨后氮將從各分配噴咀38排到被冷凍的物品上。這使熱量從物品傳回于氮。如此被加熱的氮然后通過(guò)包含有兩分支40a和40b的一分支導(dǎo)管40被吸入噴射器32和34，以與被排離壓力容器16的飽和液體18和飽和蒸汽20混和。循環(huán)的方向或循環(huán)路徑如帶箭頭的線41所示。應(yīng)理解到噴射器32和34可被連接到冷凍容器14或連接到由供給和返回導(dǎo)管冷卻的任何別的熱負(fù)荷上。
更具體地說(shuō)，噴射器32設(shè)有一液體噴嘴42，它通過(guò)控制閥44連接到出口28上。噴射器34的一氣體噴嘴46是由一控制閥48連結(jié)于出口30的?？刂崎y44和48是調(diào)節(jié)通向噴射器32和34的飽和液體18和飽和蒸汽20的流速的比例調(diào)節(jié)閥。液體噴嘴42和氣體噴嘴46分別用作噴射器32和34的高壓進(jìn)口。液體噴嘴42和氣體噴嘴46是以本技術(shù)領(lǐng)域所熟知的方式設(shè)計(jì)用以增加飽和液體18或飽和蒸汽20的速度而由此分別在噴射器32和34的混和室50和52內(nèi)產(chǎn)生低壓區(qū)。這些低壓區(qū)將被加熱的氮(在圖示的實(shí)施例中，是被加熱的氮蒸汽)，吸入連結(jié)于分支管道40的分支40a和40b的低壓進(jìn)口54和56。壓力由噴射器32和34的擴(kuò)壓段部分58和60重新恢復(fù)。被加熱的氮蒸汽和飽和液體以及在噴射器32和34內(nèi)形成的蒸汽體的混合物隨后通過(guò)連結(jié)于擴(kuò)壓段部分58和60的分配器歧管36排向熱負(fù)荷，所述的擴(kuò)壓段部分58和60用作噴射器32和34的高壓出口。熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人能夠了解，在某些使用場(chǎng)合，分配器歧管36是可以省去的。
一兩端密封的管子62，以一T狀構(gòu)形連結(jié)于溢流管26以構(gòu)成一熱交換器，該熱交換器用在把熱量進(jìn)一步從已被熱負(fù)荷加熱的氮?dú)鈧飨蛞缌鞴?6也傳向容納在溢流管26內(nèi)的飽和液體。為此目的，管62包含在分支管道40內(nèi)。本發(fā)明設(shè)想溢流管可由一分開(kāi)的加熱線圈或別的與致冷劑無(wú)關(guān)的裝置或其他可能的分開(kāi)的傳熱液體來(lái)加熱。然而這并不太理想，因?yàn)樗黾恿吮緛?lái)比較簡(jiǎn)單的裝置的復(fù)雜性。更重要的是，在圖示的具體裝置中所述的溢流管26的加熱可以起節(jié)省冷卻的作用。從傳熱流體(在圖示的具體裝置中為氮)中傳遞出更多的熱量可以冷卻氮;氮被混和或被再返回到在壓力下從壓力容器16排出的飽和氮中。
可以理解，由飽和液體18和飽和蒸汽20或由兩者的混合所提供的冷卻可與它們的流速無(wú)關(guān)以及不用任何另外的控制系統(tǒng)或別的過(guò)程調(diào)節(jié)技術(shù)就可以加以確定。此外，飽和致冷劑(飽和液體18、飽和蒸汽20或兩者的結(jié)合)的工作勢(shì)能可通過(guò)閥44和48調(diào)節(jié)與其冷卻能力相平衡。大家都知道，飽和蒸汽由于其焓增加而有更多的工作勢(shì)能。這樣，無(wú)論使用飽和液體18或飽和蒸汽還是兩者的結(jié)合都可確定所供給的工作勢(shì)能。如上面所提過(guò)的那樣，與從致冷劑(無(wú)論是液體，氣體，還是氣液兩者的混和)中所行將提取的制冷量相比，作功的相對(duì)量可通過(guò)儲(chǔ)存容器12的出口壓力的調(diào)節(jié)來(lái)進(jìn)一步加以控制。
根據(jù)本發(fā)明可以進(jìn)行多種設(shè)計(jì)上的變化。例如，壓力容器16可改為只具有一個(gè)出口28或30，以利用總的可用能量和飽和液體18或飽和蒸汽20的冷卻勢(shì)能。在這種情況下，可以只適當(dāng)使用噴射器32或噴射器34。在這方面，也可以提供帶有兩個(gè)出口28和30的單個(gè)噴射器。在這種情況下，就要采取措施在所用的單個(gè)噴射器之前或之中將飽和液體18和飽和蒸汽20加以混和。例如，可以生產(chǎn)一既有液體又有氣體噴嘴42和46的單個(gè)噴射器。另外，具有液-汽界面22的一單個(gè)出口水平面可以和一管子一起使用，該管子伸進(jìn)壓力容器16且有一軟性段以使該管子可由一電操縱螺線管升起進(jìn)入飽和蒸汽20中或被降下進(jìn)入飽和液體18中。此外，如本技術(shù)領(lǐng)域所熟知的那樣，別的文杜里管型裝置也可以取代噴射器32和34。例如，這里沒(méi)有畫(huà)出但本技術(shù)中的人卻是熟知的另一種型式的文杜里型裝置是由一用于引起高速流動(dòng)和一低壓區(qū)的環(huán)狀噴管裝置所組成的。因此，應(yīng)注意的是在此處和在權(quán)利要求書(shū)中所用的“文杜里型裝置”一詞是指其中有一高壓運(yùn)動(dòng)流體(例如從壓力容器16排出的飽和氮)帶走流體和增加被帶走流體(例如在由熱負(fù)荷加熱后的氮)的壓力的任何裝置。
在圖示的實(shí)施例中，循環(huán)是由排出所述氮(包括所述的飽和蒸汽20和飽和液體18的混合物和已由熱負(fù)荷加熱的再循環(huán)的被加熱的氮蒸汽)。的噴射器32和34所產(chǎn)生。隨后在冷卻了熱負(fù)荷后把被加熱的氮吸回噴射器32和34。這樣，通過(guò)噴射器32和34，在冷凍室14內(nèi)就建立起一個(gè)強(qiáng)制循環(huán)。此外，所述的被加熱的氮在和飽和蒸汽20和飽和液體18混合而被加熱后，然后被冷卻。應(yīng)提出的是，本發(fā)明也可以加一個(gè)輔助風(fēng)扇以幫助循環(huán)。在這種情況下，噴射器32和34將只起幫助或促進(jìn)的循環(huán)的作用。
噴射器32和34，或可取代它們的別的文杜里形裝置，利用致冷劑無(wú)論是飽和液體、飽和蒸汽或液體和蒸汽兩者)的總的可用的潛在能量的一部分來(lái)產(chǎn)生或至少促進(jìn)循環(huán)。這樣，連結(jié)于一風(fēng)扇的流體驅(qū)動(dòng)馬達(dá)可以起著如同噴射器32和34同樣的目的，當(dāng)然它們的工作特性是不同的。在此情況下，氮將從流體驅(qū)動(dòng)的馬達(dá)排出而風(fēng)扇將產(chǎn)生氮的循環(huán)。另一可能的具體裝置將包括一個(gè)連結(jié)于流體驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的出口和通向大氣的熱交換盤(pán)管，在這個(gè)具體裝置中，所述的傳熱流體將包含容納在冷凍容器內(nèi)的空氣?？諝鈱⒀h(huán)以由熱交換盤(pán)管冷卻、由熱負(fù)荷即易腐品加熱，以及隨后被吸入圍繞與溢流管相關(guān)的熱交換器的管道內(nèi)，以加熱容納在其內(nèi)的低溫冷卻液體?？梢岳斫猓@些空氣決不會(huì)與實(shí)施例中的致冷劑相混合。這樣，實(shí)施例中的傳熱流體將與用于冷卻傳熱流體和產(chǎn)生使空氣循環(huán)的循環(huán)功的致冷劑完全不同和彼此分開(kāi)。然而在該實(shí)施例中，所述的傳熱流體是被加到冷凍容器14中的致冷劑，因而設(shè)有一個(gè)出口60以放出過(guò)多的致冷劑。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的裝置100。在使用時(shí)，裝置100與一個(gè)如儲(chǔ)存容器12那樣的儲(chǔ)存容器相連。所述的液體致冷劑通過(guò)一進(jìn)入管路102從儲(chǔ)存器進(jìn)入裝置100。裝置100可被用在一冷凍室(如冷凍室14)內(nèi)，在此情況下，箭頭104和106(代表傳熱流體的進(jìn)入和排出)將位于循環(huán)路徑的終端和開(kāi)始端?；蛘?，裝置100可用于把由飽和致冷劑形成的低溫的傳熱流體供向一外部的熱負(fù)荷。雖然未圖示出，裝置100可以與裝置10相同的方式被裝在絕熱層內(nèi)以減小熱量的泄漏。
裝置100裝有一壓力容器108，它用于盛裝作為飽和液體110和飽和蒸汽114的氮致冷劑，所述液體和蒸汽由一液-汽界面114分開(kāi)。最好低溫冷卻液體氮通過(guò)壓力容器108的一進(jìn)口116進(jìn)入壓力容器108。在進(jìn)入后所述的低溫冷卻液氮轉(zhuǎn)變成飽和液體110。設(shè)置一盤(pán)118，它使輸入的致冷劑以一薄層的形式沿其表面經(jīng)過(guò)并從而與飽和氣體112緊密接觸以促進(jìn)冷凝工作的進(jìn)行。
如對(duì)裝置10已指出的那樣，在裝置100中，圖示使用低溫冷卻液氮決不是意味著是對(duì)本發(fā)明的限制。另外，裝置10可使用一種飽和液體致冷劑在兩相流狀況下進(jìn)入壓力容器108溢流管120伸進(jìn)壓力容器108以預(yù)先確定液-汽界面114的水平面位。過(guò)量的飽和液體112將溢入溢流管120內(nèi)。在裝置10中，熱量還通過(guò)一熱交換器(最好是一熱交換器122)進(jìn)一步從傳熱流體傳向飽和液體。
清注意裝置10的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是其自動(dòng)調(diào)節(jié)的性質(zhì)。這就是，通過(guò)把已隨傳熱流體溢入溢流管的過(guò)量飽和液體汽化的方式使足夠數(shù)量的熱量進(jìn)入裝置10以把輸入的低溫冷卻液體轉(zhuǎn)化成飽和液體。這種自動(dòng)調(diào)節(jié)也可能是一個(gè)缺點(diǎn)，因?yàn)樗锌赡芟拗蒲b置10的可操作范圍。例如，如果液體致冷劑是以太快的速度供給或者氣體的致冷劑的太快的速度離開(kāi)壓力容器，則在溢流管26內(nèi)將會(huì)發(fā)生雙向流動(dòng)的狀態(tài)，可使溢流管產(chǎn)生堵塞。此外，熱交換器62的優(yōu)化設(shè)計(jì)(占用較少的空間)也就比較困難。這些問(wèn)題在裝置100內(nèi)通過(guò)使飽和液體強(qiáng)制通過(guò)溢流管120和熱交換器122而大體上得到了解決。
這種強(qiáng)制流動(dòng)是通過(guò)與噴射器32相同設(shè)計(jì)的一個(gè)第一噴射器124來(lái)實(shí)現(xiàn)的。噴射器124有一低壓進(jìn)口126和一高壓進(jìn)口128。由于文杜里管效應(yīng)，飽和液體以及可能還有一部分被夾帶的氣體將會(huì)通過(guò)熱交換器并隨后與被排出第一噴射器124的高壓出口130的輸入液體致冷劑相混合而進(jìn)入壓力容器108的進(jìn)口116。在此要注意的是，在裝置100的情況下，溢流的液體將完全氣化，此外在熱交換器122內(nèi)還可能被過(guò)熱。如果沒(méi)有飽和氣體從壓力容器108抽出，則熱交換器122將交換一定數(shù)量的熱能在沒(méi)有任何的主動(dòng)控制的情況下實(shí)現(xiàn)低溫冷卻液向飽和液體的轉(zhuǎn)變。這個(gè)工作過(guò)程是與裝置10的工作過(guò)程相類(lèi)似的。很明顯，如果抽出氣體的話，熱交換器122還必須針對(duì)可能通過(guò)進(jìn)口102供應(yīng)的氣體量交換足夠供給被抽出氣體的適量的熱能。簡(jiǎn)言之，通過(guò)熱交換器的能量將自動(dòng)地滿足在致冷劑的輸入和流出之間的能量的平衡。
飽和液體和/或氣體從壓力容器抽出，然后被引入一第二噴射器142，該第二噴射器142帶有一第二組的低壓和高壓進(jìn)口(分別為144和146)和一第二高壓出口148。控制閥150和152以與裝置10的控制閥44和48相同的方式控制這個(gè)過(guò)程。飽和的致冷劑進(jìn)入第二噴射器142的高壓進(jìn)口146以吸入從噴射器142的高壓出口148排出的已循環(huán)通過(guò)冷卻熱負(fù)荷的傳熱路徑的傳熱流體(如氮)?？捎霉艿?59來(lái)圍繞熱交換器122和在進(jìn)入噴射器142的低壓進(jìn)口144之前以與熱交換器122進(jìn)行熱傳遞的方式傳導(dǎo)傳熱流體。
本發(fā)明中最好使用一個(gè)液位探測(cè)器以及閥162和164。液位探測(cè)器160(見(jiàn)美國(guó)專(zhuān)利NO.5，157，154)，用于檢測(cè)位于溢流管下面的飽和液體110的一個(gè)低液位。在閥150和152處在關(guān)閉位置的情況下如果飽和液體到達(dá)這個(gè)低液位時(shí)，閥162就將被控制打開(kāi)以在壓力容器108內(nèi)添加飽和液體。就像液位探測(cè)器160探測(cè)到飽和液體處于低液位的情況一樣，閥164被關(guān)閉以防止氣體的進(jìn)一步產(chǎn)生。雖未圖示，但正如熟悉本技術(shù)的人將會(huì)想到的那樣，根據(jù)被液位探測(cè)器160所檢測(cè)的液位和位置的檢測(cè)而對(duì)閥162和164進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)動(dòng)作以及對(duì)閥150和152的控制都可能由一傳統(tǒng)的控制器來(lái)控制。未圖示出的該控制器可以是一個(gè)模擬控制器或一個(gè)被編程以完成上述工作的可編程邏輯計(jì)算機(jī)。
如同裝置10一樣，對(duì)裝置100也可以做出許多變化。例如，壓力容器108可被改成具有一個(gè)單一的出口(出口132或出口140)。此外，別的文杜里管型裝置可以取代噴射器124和124。如同裝置10一樣，可用輔助風(fēng)扇來(lái)幫助循環(huán)和/或用一個(gè)流體驅(qū)動(dòng)馬達(dá)來(lái)取代噴射器142。如前所述裝置100可被用在一個(gè)冷凍室內(nèi)，并且如果這樣，一個(gè)熱交換盤(pán)管可連結(jié)到一流體驅(qū)動(dòng)的馬達(dá)的出口上，而同時(shí)該熱交換管則暴露于大氣中。在這種情況下，所述的傳熱流體將包括容納在冷凍容器內(nèi)的留駐空氣。
盡管以上揭示和描述了本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，然而對(duì)熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人來(lái)說(shuō)在不違背本發(fā)明的精神和范圍的情況下，完全可以在此基礎(chǔ)上增增減減，還可以有所省略或作出其他種種改變。
權(quán)利要求
1.一種使一種傳熱流體沿著一循環(huán)路徑循環(huán)來(lái)冷卻一熱負(fù)荷的方法，所述的方法包括在一壓力容器內(nèi)盛裝一種致冷劑，這種致冷劑是由一飽和的液體和一飽和的蒸汽組成，被一液-汽分界面彼此分開(kāi)；通過(guò)從所述的壓力容器排出過(guò)量的飽和液體、使該過(guò)量的飽和液體汽化并隨后把被汽化的飽和液體再引入所述的壓力容器內(nèi)從而使液-汽分界面保持在一個(gè)預(yù)定的水平面上；以不大于所述致冷劑的飽和溫度的一個(gè)溫度把該致冷劑引入該壓力容器中；以所述的飽和液體和飽和蒸汽中的至少一種的形式從所述的壓力容器排出該致冷劑；在致冷劑排出后熱量從所述的傳熱流體傳向該致冷劑；以及使該傳熱流體循環(huán)通過(guò)所述的循環(huán)路徑以使傳熱流體冷卻熱負(fù)荷而由此使傳熱流體本身被加熱，以及此后被從壓力容器排出的致冷劑冷卻；傳熱流體的循環(huán)至少是通過(guò)該飽和的致冷劑的總的可用熱力能的一部分在排出后轉(zhuǎn)化成循環(huán)功而加以促進(jìn)的。
2.如權(quán)利要求1所述的一種方法，其特征在于，所述的過(guò)量的飽和液體是在傳熱流體由飽和致冷劑冷卻之前和由熱負(fù)荷加熱之后，通過(guò)進(jìn)一步使熱量從傳熱流體傳向飽和液體而被汽化的。
3.如權(quán)利要求1所述的一種方法，其特征在于所述的致冷劑在引入壓力容器時(shí)，是處于一種過(guò)冷(低溫)狀態(tài)的致冷劑;以及該飽和液體是由致冷劑以液體形式通過(guò)飽和蒸汽以使該飽和蒸汽的一部分產(chǎn)生冷凝所形成的。
4.如權(quán)利要求1所述的一種方法，其特征在于，所述的傳熱流體由該致冷劑組成。
5.如權(quán)利要求4所述的一種方法，其特征在于，在傳熱流體被熱負(fù)荷加熱后，熱量進(jìn)一步從所述的傳熱流體傳向過(guò)量的飽和液體以過(guò)量的飽和液體汽化和由此產(chǎn)生所述的飽和蒸汽。
6.如權(quán)利要求5所述的一種方法，其特征在于所述的致冷劑在引入壓力容器時(shí)處于過(guò)冷的狀態(tài);以及該飽和液體是由致冷劑以液體形式通過(guò)飽和蒸汽以使一部分飽和蒸汽冷凝而產(chǎn)生的。
7.如權(quán)利要求1或4所述的一種方法，其特征在于，所述的飽和液體和飽和蒸汽兩者都以預(yù)定的速度排出以控制由致冷劑提供的冷卻勢(shì)能和循環(huán)工作的程度。
8.一種用于使一種傳熱流體沿著一循環(huán)路徑循環(huán)以冷卻一個(gè)熱負(fù)荷的裝置，所述裝置包括一壓力容器，用于容納一種致冷劑，它由飽和液體和飽和蒸汽組成，且被一液-汽分界面相互分開(kāi);所述的壓力容器帶有一進(jìn)口，它用于以不大于致冷劑的飽和溫度的一個(gè)溫度把致冷劑引入所述的壓力容器;一被加熱的溢流管，它伸進(jìn)所述的壓力容器以便使過(guò)量飽和液體溢入被加熱的溢流管和被汽化以形成飽和蒸汽;和排出裝置，它用于以所述的液體和蒸汽的至少一種形式使致冷劑排出;用于加熱所述的被加熱溢流管的裝置;以及被連結(jié)于所述的排出裝置的和至少把飽和致冷劑的總的可用熱力能的一部分在其排出后轉(zhuǎn)化成循環(huán)功的裝置，用于使傳熱流體在該循環(huán)路徑中循環(huán)以便使傳熱流體冷卻所述的熱負(fù)荷和由此使其本身被加熱和用由從壓力容器排出的致冷劑冷卻所述的傳熱流體。
9.如權(quán)利要求8所述的一種裝置，其特征在于所述的傳熱流體循環(huán)和冷卻的裝置至少包括一個(gè)文杜里型的裝置，它帶有一高壓進(jìn)口，用于接受從排出裝置排出的致冷劑;一低壓進(jìn)口;和一高壓出口;以及至少一個(gè)文杜里型裝置的所述低壓進(jìn)口和高壓出口用于該循環(huán)路徑以便使致冷劑從該高壓出口排向所述的熱負(fù)荷，由此使致冷劑被加熱以冷卻該熱負(fù)荷并在此后，一部分致冷劑被吸入該低壓進(jìn)口，與從排出裝置排出的致冷劑混和。
10.如權(quán)利要求8所述的一種裝置，其特征在于，所述的溢流管加熱裝置包括連結(jié)于該溢流管的一被密封的管子，和一連結(jié)于文杜里型裝置的低壓進(jìn)口的一輸送管道，以便使致冷劑，在被熱負(fù)荷加熱后，在形成混和物之前先把熱量傳向該溢流管。
11.如權(quán)利要求9所述的一種裝置，其特征在于該排出裝置包括該壓力容器，它帶有兩出口，兩個(gè)出口中的一個(gè)是可排出所述的飽液體而兩個(gè)出口中的另一個(gè)可排出所述的飽和蒸汽，以及連結(jié)于所述兩出口的控制裝置，用于有選擇地和單獨(dú)地控制從壓力容器排出的飽和液體和蒸汽的流速;以及至少一個(gè)文杜里型裝置被連結(jié)于該控制裝置。
12.如權(quán)利要求11所述的一種裝置，其特征在于，加熱裝置包括一連結(jié)于溢流的密封的管子，和連結(jié)于至少一個(gè)文杜里型噴射器的低壓進(jìn)口的一輸送管道以便使致冷劑被熱負(fù)荷加熱后，在形成混和物前先把熱量傳向溢流管。
13.一種用于使一種傳熱流體沿著一循環(huán)路徑循環(huán)以冷卻一熱負(fù)荷的裝置，所述的裝置包括一壓力容器，用于容納一種致冷劑，致冷劑由一飽和液體和一飽和蒸汽所組成，它們被一液－汽界面彼此分開(kāi);所述的壓力容器設(shè)有一進(jìn)口，用于將一不大于致冷劑的飽和溫度的致冷劑引入所述的壓力容器內(nèi);一溢流管，伸進(jìn)所述的壓力容器中以使過(guò)量的飽和液體溢入溢流管內(nèi);和排出裝置，用于以液體和蒸汽的至少一種形式排出該致冷劑;連結(jié)于所述的排出裝置和至少把飽和致冷劑的總的可用熱力能的一部分在其排出后轉(zhuǎn)化為循環(huán)功的裝置，以使傳熱流體在一循環(huán)徑路中循環(huán)從而使所述的傳熱流體冷卻該熱負(fù)荷和由此其自身被加熱以及用從壓力容器排出的致冷劑冷卻該傳熱流體;以及一熱交換器，至少有一條通路連接到該溢流管，所述的熱交換器的位置和結(jié)構(gòu)適于進(jìn)一步將熱量從所述的傳熱流體傳向已溢入溢流管的過(guò)量飽和液體，由此在由從壓力容器排出的致冷劑冷卻之前冷卻所述的傳熱流體，以及用于從該溢流管抽吸過(guò)量飽和液體、通過(guò)所述的熱交換器以及用于把過(guò)量飽和液體再引入該壓力容器的裝置。
14.如權(quán)利要求13所述的一種裝置，其特征在于，該飽和致冷劑的汲取和引進(jìn)裝置包括一文杜里型的裝置，它帶有一組高、低壓進(jìn)口和一高壓出口，所述的文杜里型裝置連結(jié)于所述的壓力容器以使致冷劑流經(jīng)高壓進(jìn)口及通過(guò)該高壓出口被排進(jìn)該壓力容器的進(jìn)口;所述的文杜里型裝置還連結(jié)于熱交換器以便過(guò)量的致冷劑通過(guò)該溢流管，熱交換器、隨后進(jìn)入低壓進(jìn)口以在它進(jìn)入到壓力容器內(nèi)前與致冷劑混和。
15.如權(quán)利要求14所述的一種裝置，其特征在于所述的傳熱流體包括從壓力容器排出的致冷劑;所述的文杜里型裝置包括一個(gè)第一文杜里型裝置，一組高低壓進(jìn)口和高壓出口是一第一組的高壓和低壓進(jìn)口和一第一個(gè)高壓出口;以及所述的熱傳遞流體循環(huán)和冷卻裝置包括一第二文杜里型裝置，它設(shè)有一第二組的高壓和低壓進(jìn)口和一第二高壓出口，該第二文杜里型裝置連結(jié)于壓力容器的排出裝置以便從排出裝置排出的致冷劑流向第二組的高、低壓進(jìn)口的高壓進(jìn)口，所述的第二高壓出口和低壓進(jìn)口與熱負(fù)荷相聯(lián)系以使致冷劑從高壓出口排向熱負(fù)荷和它由此自身被加熱以冷卻熱負(fù)荷，此后，一部分致冷劑被吸入低壓進(jìn)口以與從排出裝置排出的致冷劑相混和。
16.如權(quán)利要求15所述的一種裝置，還包括一輸送管道，它連接于該第二文杜里型裝置且與第二組高、低壓進(jìn)口的低壓進(jìn)口相連通以使該部分致冷劑流過(guò)該輸送管道并進(jìn)入它的第二組的低壓進(jìn)口。
17.如權(quán)利要求13所述的一種裝置，其特征在于所述的排出裝置包括所述的壓力容器，它帶有兩個(gè)出口兩個(gè)出口中的一個(gè)用于排出飽和液體而另一個(gè)用于排出飽和蒸汽;以及控制裝置，連結(jié)于所述的兩個(gè)出口，用于有選擇地和單獨(dú)地控制從壓力容器排出的飽和液體和飽和蒸汽的流速;以及所述的傳熱流體循環(huán)和冷卻的裝置與所述的控制裝置相連。
18.如權(quán)利要求11或17所述的裝置，其特征在于，該控制裝置包括兩個(gè)比例調(diào)節(jié)閥。
全文摘要
一種冷卻熱負(fù)荷的方法和裝置，其中設(shè)有一個(gè)容納致冷劑的壓力容器，壓力容器容納作為飽和液體和飽和蒸汽的致冷劑，飽和液體和飽和蒸汽由一液-汽界面分開(kāi)。壓力容器有一進(jìn)口，用于接受過(guò)冷液體致冷劑并由此通過(guò)與飽和蒸汽接觸將它轉(zhuǎn)化為飽和液體。一被加熱的溢流管子伸進(jìn)壓力容器，以便在飽和液體升高時(shí)溢入溢流管并被汽化以形成飽和蒸汽。被汽化的液體的熱傳導(dǎo)和再引入可通過(guò)由一噴射器提供的強(qiáng)制循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。該壓力容器最好設(shè)置兩個(gè)出口用于排出呈飽和液體或蒸汽的飽和致冷劑。帶有與壓力容器的兩個(gè)出口相連通的高壓進(jìn)口的一個(gè)或多個(gè)噴射器用于在冷卻熱負(fù)荷后把傳熱流體吸入與傳熱使之與溢出的傳熱飽體液體成傳熱關(guān)系然后進(jìn)入與飽和液體或飽和蒸汽或兩者混和并用于將前者從噴射器的一個(gè)高壓出口排向熱負(fù)荷。
文檔編號(hào)F25D3/10GK1080389SQ9310638
公開(kāi)日1994年1月5日 申請(qǐng)日期1993年5月28日 優(yōu)先權(quán)日1992年6月10日
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