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美國機械工程學(xué)會(ASME)冬季年會論文，63-WA-290號，費城，賓夕法尼亞，美國，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)熱機中應(yīng)用時的簡單現(xiàn)象”，“美國物理雜志”，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量讀數(shù)60°K時的新方法”，已投稿至“低溫工程進展”，31卷。
本發(fā)明既涉及上述文獻目錄中第2篇和第5篇文獻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”致冷裝置通過使一種工作流體(即一種氣體或蒸汽)在一外殼里作運動、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，如果不考慮有時放置在該外殼中的一個或多個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風(fēng)琴管中行為相同的物理定律來詮釋。對于非共振情況，即脈沖管致冷裝置情況，盡管這時簡單的風(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)的方式穿過或經(jīng)過該換熱器。該換熱器有這樣的作用即以該工作流體運動、壓縮和膨脹的方式，從所述工作流體中吸收熱能。暫時將熱能儲存起來，并再將這些熱能放出來。這樣，熱就從上述換熱器的所謂“冷端”的一個部件傳至另一端的一個部件。在以Stirling循環(huán)方式運轉(zhuǎn)的冷卻裝置中，換熱器也起著類似的作用。
熱-聲致冷裝置的運行，依賴于在上述工作流體強制循環(huán)和所述換熱器有效地把熱能暫時儲存起來隨后又把熱能放給所述氣體的過程之間，存在一個時間位相延遲(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在這方面有所改進的換熱器。
本發(fā)明提供了一種致冷裝置，它包括一個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動，以產(chǎn)生一種冷卻效果。所述換熱器至少確定了一個表面，所述工作流體靠著該表面通過，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中造成可控制的局部不連續(xù)性。由于改進了在上述換熱器和所述工作流體之間的熱交換，而且進一步，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)及增加每個循環(huán)中熱能所抽運的有效距離，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剖面圖。
圖3和圖4分別是圖2中換熱器的一個平板的側(cè)視剖面圖和平面圖。
圖5中的那個管子左端封閉，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在每個低階(step-down)附近都出現(xiàn)的初始旋渦狀態(tài)，上述每個低階的后面是一個配對的高階(step-up pair)，前面也伴隨著一個所述的高階。
圖7和圖8確定了一個換熱器平板的幾何結(jié)構(gòu)，并且作為一個例子，描繪了一換熱器平板中的瞬態(tài)溫度場。
圖1中的致冷器有一個機殼10、一個流體儲存器12和一個細長形的管路1。機殼10的后面裝有一個壓縮機11，流體儲存器12與壓縮機11相連，管路1的一端也與該壓縮機相連。管路1從壓縮機11向上伸出，在A處進入機殼10，并在B處從該機殼中出來，向下延伸至靠在上述機殼的后面下方的該管路的另一端。管路1的這個另一端是封閉的，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處之間位于機殼10之中的部分7似乎只是簡單地從A處到B處構(gòu)成一個環(huán)路，但實際上，為了有效地從該機殼中吸收熱量，部分7將沿一條適當(dāng)?shù)穆窂酵ㄟ^該機殼。例如，該管路可靠在上述機殼的內(nèi)表面或上述機殼的一個專用冷室的一個內(nèi)表面上形成一個卷繞或回旋狀路徑，和/或可將該管路在上述機殼內(nèi)構(gòu)成一個或多個格子結(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度方向。
如附圖所示，上述管路在其靠近所述機殼的進口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隔熱。
管路1內(nèi)部部分7含有細密分隔的金屬材料9，例如，絨毛狀金屬絲，以幫助收集熱量。
同時，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軸向相互隔開的換熱器15，每個換熱器都由一組面、面相對的平板2構(gòu)成。后面將結(jié)合圖2、圖3和圖4對這些平板2作進一步描述。此外，整個管路1、壓縮機11和儲存器12中都充有一種適用于熱-聲致冷器的流體，例如氮。
儲存器12的作用是把壓縮機11和管路1中的氣體壓力維持在一個適當(dāng)?shù)钠骄缴?。壓縮機11可以是一種含有一個往復(fù)式活塞(圖中未標(biāo)出)的壓縮機。壓縮機11的任務(wù)是在管路1內(nèi)的流體里產(chǎn)生一個周期性的壓力變化，以在該流體中沿該管路的長度方向產(chǎn)生一個間頻駐波。正如本發(fā)明前面所述的以及前面提到的已有技術(shù)文獻所指出的，這將使上述工作流體通過所述換熱器作往復(fù)運動，同時，造成局部流體的壓力改變，這兩個結(jié)果將最終導(dǎo)致從上述換熱器靠近所述壓縮機的一側(cè)(即從上述管路位于機殼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)一個凈的熱量傳遞。
如上所述，每個換熱器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。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的，這樣，上述工作流體能從它們之間通過。如圖3和圖4所示，每個平板的每個表面都有一個二維分布的凸緣陣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，以使流體從各卷之間流過。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，也可在每個平板2上設(shè)置一系列軸向隔開的凸條，這凸條橫過上述平板。象上述凸緣一樣，這些凸條以一個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可控制的渦旋系統(tǒng)的形成(典型情況如圖6所示)，又通過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(這點將在對圖6的描述中作說明)，最好這個延遲值增大到大于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)來替代凸緣3，這些帶子或凸條沿橫過上述工作流體流動的方向延伸，即，使得從橫截面看去，它們就象圖4中的那些凸緣。
作為一個例子，換熱器平板2可以用開普頓(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，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0.5mm或更大。
如果不用扁平板或一個卷板，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，我們看進一步的實施例。
圖5是一個管路的示意圖，該管路左端封封閉，右端裝有一個振蕩器，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，可以證明在上述氣體中存在一個溫度分布并可導(dǎo)出一個局部溫度梯度-1.5708(-1) (Tx)/(L) cot (πx)/(2L) (方程A14)也就是說，如果略去所有的熱流動，上述管路中所述封閉端處的氣體分子比開端的氣體分子熱。如果此時抽走熱量，以后再重新對該氣體補充熱量，雖然各個氣體部分的實際行為自然不再是嚴(yán)格絕熱的，卻已可導(dǎo)致一個有利的抽熱條件(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)明對所用的熱交換和暫時熱儲存系統(tǒng)進行了合理設(shè)計。
在大多數(shù)以前就研究過的上述氣體在熱交換器表面流動的問題中，通過在氣體中產(chǎn)生隨機湍流的方式，可以改善熱交換。不過，上述湍流中有很多對熱交換并沒有幫助，并且還有這樣的缺陷，即氣體分子間的碰撞會破壞上述氣體流動的運動壓力(kinetic head)。在熱-聲和脈沖管致冷的振蕩式流動狀態(tài)條件下，如果這種隨機情況出現(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)變化無常的破壞運動壓力的情況，而且結(jié)果還如圖6的情形所示，圖中的初始湍流狀態(tài)強度和相對于上述平板的熱交換強度之間呈現(xiàn)很強的相關(guān)性。
在這部分內(nèi)容中，可以證明，在振蕩運動條件下，沿一個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，由于能量的損失，將無法形成有用的聲學(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為對上述氣體的運動粘滯度。
作為一個例子，在正常的環(huán)境溫度和壓力下，對于干燥空氣，當(dāng)上述諧振頻率為400周/秒時，這個H的值約為1mm。
正象前面所說的那樣，可以證明，用圖6和圖7中所示的帶有精密加工的臺階的系統(tǒng)，能夠產(chǎn)生一個可控制的局部渦旋狀態(tài)，該渦旋狀態(tài)增大了相對于上述平板的熱交換。在這部分內(nèi)容中，可以證明，每個凹槽處的能量損耗或上述渦旋強度當(dāng)2.5Π≤KH≤5Π時可近似地表示為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動速度的峰值，H是上述換熱器各個平板之間的距離，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，通過把上述凸緣做成導(dǎo)熱部件，能減弱氣體運動效應(yīng)。事實上，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，例如對于圖7所示的幾何結(jié)構(gòu)，在沒有熱泄漏的情況下，瞬態(tài)溫度分布如圖8所示，而且，熱量輸入和儲存之間有效相角為50.6°。對于一個通常認(rèn)為損耗是主要的系統(tǒng)來說，這點是一個有意義的發(fā)現(xiàn)。
為達到最大的聲學(xué)效率，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員會把上述換熱器平板的端面做成錐形和/或使各平板的長度不等，以降低聲反射(這種聲反射能形成諧波)。此外，上述管路沿長度方向的各處供氣體流動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動、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表面，所述工作流體靠著該表面流過，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中造成局部不連續(xù)性，由此，既改進了上述換熱器和所述工作流體之間的熱交換，也改進了所述工作流體和上述換熱器之間的熱交換，而且進一步，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細長形的外殼。
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長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薄材料的卷板，該卷板沿著大致與上述細長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.如上述各個權(quán)利要求中任何一個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.如上述各個權(quán)利要求中任何一個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，包括一個冷卻室和一些將被冷卻的貯存物品;一個環(huán)繞所述冷卻室的隔熱層;一種含有一個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動、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表面，所述工作流體靠著該表面流過，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中造成局部不連續(xù)性，由此，既改進了上述換熱器和所述工作流體之間的熱交換，也改進了所述工作流體和上述換熱器之間的熱交換，而且進一步，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，以進行所述冷卻;一個使得流體從上述換熱器上通過的壓縮機。
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是一種往復(fù)式的壓縮機。
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動而工作，而且它能夠在上述工作流體的層流邊界層的流動中產(chǎn)生不連續(xù)性并調(diào)整熱相位條件，由此，既改進了熱交換又改進了熱效率，而所述冷卻裝置可以組裝進一臺致冷器。
文檔編號F25B1/00GK1051241SQ8910983
公開日1991年5月8日 申請日期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 申請人:空間公共有限公司