CN101852511A - 变压吸附制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种变压吸附制冷机，其包括配气阀(1)和蓄冷器(2)，其中还包括用于单向传热的单向传热机构(3)，该传热机构(3)具有热端散热器(6)和冷端换热器(7)，在所述热端散热器(6)和冷端换热器(7)之间设有变压吸附床(4)，该变压吸附床(4)与所述配气阀(1)以及介于两者之间的所述蓄冷器(2)流体连通，操作该配气阀(1)给该吸附床(4)充气加压时，该吸附床(4)吸附放热，产生的热量从该热端散热器(6)散发到外部环境，而操作配气阀(1)给吸附床(4)放气减压时，吸附床(4)解吸吸热，从冷端换热器(7)吸收热量。

Description

变压吸附制冷机

技术领域

本发明属于制冷和低温技术领域，尤其涉及变压吸附制冷机。

背景技术

在目前的市场上，大多数回热式气体制冷机都采用气缸-活塞这种结构形式，例如ST、VM、G-M和SV制冷机。由于G-M制冷机采用了汽缸-活塞结构，这种气缸-活塞式气体制冷机包括气缸、活塞、活塞环、驱动活塞运动的驱动机构以及与驱动机构配合开闭的进排气配气机构。

众所周知，低温制冷机气缸是非常难于加工制造的部件，要求其具备很高的行为和尺寸精度；活塞也要求具有较高的行为和尺寸精度以保证与气缸的配合；活塞环是保证冷热腔之间隔离不泄露的唯一关键零件，其材料的选择、结构和加工精度都密切影响其磨损程度和制冷机的性能；活塞驱动机构和配气机构及其配合规律导致结构复杂和制造成本的提高。这些使得G-M制冷机很难微型化，并且加工难度和制造成本较大，同时也导致制冷机工作时较大的噪声和振动，难于应用于电子器件芯片的冷却。

另外，当前广为使用的制冷设备大多采用氟利昂作致冷物质。然而氟利昂对地球臭氧层的破坏使得国际社会不得不放弃继续使用氟利昂。寻找新的制冷原理和方法就成了一项急迫而十分有意义的工作。

与蒸汽压缩式制冷相比，吸附式制冷具有节能、环保、控制简单、运行费用低等优点；与液体吸收式系统相比，固体吸附式制冷适用的热源温区范围大、不需要溶液泵或精馏装置，也不存在制冷剂的污染、盐溶液结晶以及对金属的腐蚀等问题。所以相对于吸收式制冷，吸附式制冷具有更为广阔的应用范围。

发明内容

因此，本发明的主要目的是想克服已有技术的不足，提供一种不使用氟利昂等类似工质，省略常规制冷机的运动部件，不仅振动及噪音小，而且结构紧凑的变压吸附制冷机。

为此，本发明提供一种变压吸附制冷机，包括配气阀和蓄冷器，其中，该制冷机还包括用于单向传热的单向传热机构，该传热机构具有热端散热器和冷端换热器，在该热端散热器和冷端换热器之间设有变压吸附床，该变压吸附床与配气阀以及介于两者之间的蓄冷器流体连通，通过该配气阀给该吸附床加压时，该吸附床吸附放热，产生的热量从该热端散热器散发到外部环境，而通过配气阀给吸附床减压时，吸附床解吸吸热，从该冷端换热器吸收热量，从而实现与冷端换热器接触或设置在其附近的物体或器件进行冷却。

在本发明中，配气阀包括高压阀和低压阀，具有控制高压气体进入该吸附床和控制气体流出该吸附床的功能。

根据本发明的一个方面，变压吸附制冷机可以为气体传热式变压吸附制冷机，其中单向传热机构还包括气体传热腔，热端散热器和冷端换热器分别布置在该气体传热腔的上下两端。气体传热腔为刚性腔。当打开配气阀送气给吸附床升压时，吸附床吸附放热，当吸附床周围的温度高于热端散热器周围的环境温度时，产生的热量通过气体传热腔中的自然对流，将部分吸附热传向位于气体传热腔上端的热端散热器。而打开配气阀的低压阀来与低压流道接通时，部分气体流出变压吸附床，使吸附床解吸降温，当温度低于冷端换热器周围的环境时，气体传热腔中也会产生自然对流，但方向与吸附床的吸附过程相反，而是吸附床周围温度降低的气体由于密度差驱动向下端的冷端换热器对流，从而实现对冷端换热器的降温。

根据本发明的另一个方面，变压吸附制冷机可以为热管式变压吸附制冷机，其中单向传热机构包括西蒙腔，在这里热端散热器和冷端换热器为在西蒙腔内相互连接且分别延伸到该西蒙腔外的热端热管和冷端热管。其中热端热管的与冷端热管的连接端为热端热管的蒸发端，另一端为其冷凝端；冷端热管的与热端热管相连接的连接端为冷端热管的冷凝端，另一端为其蒸发端。在本发明中，该西蒙腔为绝热刚性壳体，在西蒙腔内，热端热管和冷端热管例如以热耦合方式连接在一起，然而也可用其它合适的方式连接在一起。这里是利用工作在不同温度的热管分别来排出吸附床层中的吸附热和将吸附床层中的解吸热(即制冷量)传递到冷端换热器(即冷端热管的蒸发端)。

根据本发明的又一方面，变压吸附制冷机可以为气库传热式变压吸附制冷机，其中，热端散热器为与变压吸附床相流体连通的气库式散热器，并且该冷端换热器以流体连通的方式布置在蓄冷器和变压吸附床之间。另外，为了获得更好的制冷效果，在变压吸附床和气库式散热器之间还设有辅蓄冷器。

对于上述变压吸附制冷机，还包括绝热罩体，其中蓄冷器、冷端换热器、单向传热机构均以与环境气体隔绝的方式布置在该罩体构成的真空绝热腔内。该罩体可以采用高真空绝热保温，也可以采用其它任何合适的绝热保温形式。

另外，本发明中所使用的蓄冷器是本领域普通技术人员熟悉的蓄冷器，其不仅具有回热功能，而且可自动回收一部分焓不平衡丢失的冷量，从而提高制冷机的制冷效率，使变压吸附制冷机达到所需的制冷效果。

根据本发明的变压吸附制冷机是利用变压吸附过程中的解吸过程吸附剂吸热产生的制冷效应、并结合单向热手段、通过配气阀实现周期性配气来实现连续制冷。这种制冷机避免了传统气体制冷机制冷工质热物性密切影响制冷性能的桎梏，实现固体制冷模式，从而使制冷机摆脱环境不友好工质，有利于绿色环保制冷机的实现；并且不需要使用难加工的气缸、活塞、活塞环、驱动活塞活动的驱动机构、与驱动机构配合开闭的进排气配气机构等部件，降低了这类制冷机的加工难度和制造成本；提高了制冷机的工作可靠性和寿命；有效地降低了制冷机工作时的振动和噪音，可以使制冷机紧凑化和微型化。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中相同的附图标记代表相同的构件，其中：

图1是根据本发明的气体传热式变压吸附制冷机的结构示意图；

图2是根据本发明的热管式变压吸附制冷机的结构示意图；

图3是根据本发明的气库传热式变压吸附制冷机的结构示意图；

图4根据本发明的变压吸附制冷机的理论变压吸附制冷循环T-s图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的一个实施例的气体传热式变压吸附制冷机，该制冷机例如包括配气阀1、蓄冷器2、单向传热机构3以及与配气阀1和蓄冷器2流体连通的变压吸附床4，在该实施例中，单向传热机构3包括气体传热腔5和分别位于该传热腔5上端和下端的热端散热器6和冷端散热器7。该气体传热腔5优选为刚性腔，其中所述变压吸附床4位于该气体传热腔5内。

在该实施例中，为了使气体传热式变压吸附制冷机获得更好的制冷效果和较低的制冷温度，蓄冷器2布置在配气阀1与变压吸附床4之间并优选设置在气体传热腔5内。在本发明中，蓄冷器2可以是填料式结构，也可以是管壁式结构，并且可自动回收一部分因焓不平衡而丢失的冷量，从而提高制冷机的制冷效率。

另外，根据本发明，为了使制冷机具有更好的制冷效果，该制冷机还包括绝热罩体8，气体传热腔5和冷端换热器7以与环境气体隔绝的方式布置在该罩体8构成的真空绝热腔9内。

下面对气体传热式变压吸附制冷机的工作过程进行具体描述，在这种类型的制冷机中，气体传热机构3是利用气体导热远远小于自然对流的特性而实现吸附床不同方向的传热。如图1所示，配气阀1包括高压阀1H和低压阀1L，将配气阀1的高压阀1H打开，向吸附床4充气，该吸附床升压吸附放热，使其周围的温度升高，当此处的温度高于热端散热器6处环境温度时，在气体传热腔5中的气体将产生自然对流，将部分吸附热以自然对流的方式传向位于气体传热腔5上端的热端散热器6，而不会传向位于其下端的冷端换热器7。当关闭配气阀2的高压阀1H，打开其低压阀1L后，变压吸附床4中的压力降低，使吸附床4解吸吸热降温，使其周围温度降低，当此处的温度低于冷端换热器7处的环境温度时，气体传热腔5中的气体将产生自然对流，温度较低的气体由于密度差驱动向下端的冷端换热器7对流，从而实现冷端换热器7的降温，这样完成一个循环，如此周期性地打开高压阀、关闭低压阀；关闭高压阀、打开低压阀，可以实现周期性的制冷过程，使冷端换热器处的温度降低到需要的低温。

图2示出了根据本发明的另一个实施例的热管式变压吸附制冷机，该制冷机例如包括配气阀1、蓄冷器2、西蒙腔5′、在该西蒙腔5′中相互连接的热端热管6和冷端热管7，以及与所述配气阀1和蓄冷器2流体连通的变压吸附床4。在该实施例中，变压吸附床4布置在西蒙腔5′内，蓄冷器2以流体连通的方式布置在配气阀1与吸附床4之间。在上述实施例中，该热端热管6和冷端热管7均延伸到西蒙腔5′外，热端热管6的与冷端热管7相连接的连接端为蒸发端6a，另一端为冷凝端6b，冷端热管7的与热端热管6相连接的连接端为冷凝端7b，另一端为蒸发端7a。为了实现更好的制冷效果，西蒙腔5′优选为绝热刚性腔。

在该实施例中，制冷机是采用两个工作在不同温区的热管来分别排出热端热管6的蒸发端6a置于西蒙腔5′内，以在通过配气阀1的控制即打开高压阀1H对吸附床4充气时加压来吸收其中的吸附热；而其冷凝端6b置于大气环境中，当吸附床处于吸附过程中时，吸附热使热端热管内的液体蒸发，在冷凝端6b冷凝，这样可将吸附热通过热端热管6传递到大气环境中排出，从而确保吸附床层的温度基本稳定在室温下。冷端热管7的冷凝端7b位于西蒙腔5′内，而其蒸发端7a位于该西蒙腔5′外，并可以直接置于需要冷却的物体如芯片中，当关闭高压阀1H，打开低压阀1L对变压吸附床4降压时，吸附床进行解吸放热，解吸热(即制冷量)使吸附床降温，温度低于冷端热管7的冷凝温度，冷端热管7开始工作，将来自其蒸发端7a的热量源源不断地传递到吸附床层，使吸附床4的温度基本稳定到冷端热管7的工作温度，同时冷端热管7的蒸发端7a源源不断地产生冷量。

在该实施例中，优选在蒸发端7a上装设有合适形状的冷头10，这样可更有利于将待冷却物体的工作发热通过冷端热管7传递到西蒙腔5′内，来实现物体的冷却。这里，所述两热管6，7优选采用例如热耦合方式连接在一起，当然也可通过其它任何合适的方式连接在一起。

有利的是，热管式变压吸附制冷机可通过在不同温度热管的耦合来实现吸附床层的多级串联来获得更低的制冷温度。另外，在该实施例中，所述热管可以是重力热管，也可以是毛细热管和虹吸热管以及其它任何合适类型的热管。对于冷端热管内的工质，可根据冷却温度的不同来选择。

图3示出了根据本发明的又一实施例的气库式变压吸附制冷机，其包括以流体连通方式顺次连接的配气阀1、蓄冷器2、冷端换热器6、变压吸附床4和气库散热器7，配气阀1包括高压阀1H和低压阀1L，并且在吸附床4和气库散热器7之间还设有辅蓄冷器2′。

在升压吸附过程开始时，打开高压阀1H，高压气体通过蓄冷器2冷却后进入吸附床4，在吸附床升压吸附并产生吸附热，并在气体继续流过吸附床4时，使吸附热被气流带入辅蓄冷器2′中被部分吸收，然后通过小孔进入气库散热器7并与外界环境换热放出部分未被辅蓄冷器2′吸收的吸附热。将降压解吸过程开始后，打开低压阀1L，吸附床降压解吸制冷，吸附床中的低温气体回流到冷端换热器6输出冷量，再进入蓄冷器2，恢复温度后经过低压阀排出。如此循环往复，即可在冷端换热器2处连续不断得到制冷。这种气库式变压吸附制冷机不需要其它传热介质，而是通过吸附床中气体的强迫对流换热来实现热传递。

从图1至图3可以看出，为实现更好的制冷效果和较低的制冷温度。上述变压吸附制冷机均设有绝热罩体8，蓄冷器2、冷端换热器7、单向传热机构3均以与环境气体隔绝的方式布置在该罩体8构成的真空绝热腔9内。本发明优选采用高真空罩体绝热保温，然而也可采用其它任何合适的绝热保温形式。

在上述实施例中，变压吸附制冷机具有结构简单的特点，比较适合于制冷温度不是太低，冷量不要求太大的电子器件的冷却等应用领域。

工作原理：

变压吸附制冷的制冷循环最重要的问题就是解决吸附剂床层的吸附热和解吸热在不同热源的排放，否则，吸附热与解吸热相抵消，不会产生制冷效果。图4示意性地表示出变压吸附制冷循环中吸附剂所经历的理想的循环过程，在吸附床升压吸附时，将产生吸附热，这一热量需要从吸附床层排出到室温热源；1→2表示在吸附床中气体的绝热吸附过程，由于吸附热和西蒙压缩热的产生，床温升高，由T_c→T_a；2→3表示吸附床等温放热过程，即将吸附热量排放到T_a温度热源(在制冷循环中，该热源为室温环境)；3→4表示在吸附剂床中气体的绝热解吸过程，由于解吸热和西蒙膨胀吸热的产生，床温降低，由T_a→T_c；4→1表示吸附床等温吸热过程，即从低温热源T_c吸热而制冷。但由于吸附剂吸附时间、有限传热、热容等的影响，实际循环将如图中虚线所示，如此，循环效率和制冷量将有所下降。

因此，尽管以上结合了说明书所给出的具体实施例对本发明做了详细描述，但本发明不应该被局限于上述具体实施例或所给出的特征组合方式，而是应该由后续的权利要求书来限定本发明的保护范围。在不超出本发明精神的前提下，后续的权利要求书应涵盖那些落入等同范畴的实施结构和布置形式，而且本领域普通技术人员也可以按照本发明的教导完成相应的修改和改进。

Claims (10)

1.一种变压吸附制冷机，包括配气阀(1)和蓄冷器(2)，其特征在于，还包括用于单向传热的单向传热机构(3)，该传热机构(3)具有热端散热器(6)和冷端换热器(7)，在所述热端散热器(6)和冷端换热器(7)之间设有变压吸附床(4)，该变压吸附床(4)与所述配气阀(1)以及介于两者之间的所述蓄冷器(2)流体连通，操作该配气阀(1)给该吸附床(4)充气加压时，该吸附床(4)吸附放热，产生的热量从该热端散热器(6)散发到外部环境，而操作该配气阀(1)给吸附床(4)放气减压时，吸附床(4)解吸吸热，从该冷端换热器(7)吸收热量。

2.根据权利要求1所述的变压吸附制冷机，其特征在于，所述单向传热机构(3)还包括气体传热腔(5)，所述热端散热器(6)和冷端换热器(7)分别布置在该气体传热腔(5)的上下两端。

3.根据权利要求2所述的变压吸附制冷机，其特征在于，所述气体传热腔(5)为刚性绝热腔。

4.根据权利要求1所述的变压吸附制冷机，其特征在于，所述单向传热机构(3)还包括西蒙腔(5′)，所述热端散热器(6)和冷端换热器(7)为在所述西蒙腔(5′)相互连接且分别延伸到该西蒙腔(5′)外的热端热管和冷端热管，热端热管的与冷端热管相连接的连接端为蒸发端(6a)，另一端为冷凝端(6b)，冷端热管的与热端热管相连接的连接端为冷凝端(7b)，另一端为蒸发端(7a)。

5.根据权利要求4所述的变压吸附制冷机，其特征在于，所述西蒙腔(5′)为刚性绝热腔。

6.根据权利要求5所述的变压吸附制冷机，其特征在于，所述热端热管和冷端热管以耦合方式连接在一起。

7.根据权利要求1所述的变压吸附制冷机，其特征在于，所述热端散热器(6)为与该变压吸附床(4)流体连通的气库式散热器，并且该冷端换热器(7)以流体连通的方式布置在该蓄冷器(2)和所述变压吸附床(4)之间。

8.根据权利要求7所述的变压吸附制冷机，其特征在于，在所述变压吸附床(4)和该气库式散热器之间还设有辅蓄冷器(2′)。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的变压吸附制冷机，其特征在于，还包括绝热罩体(8)，所述蓄冷器(2)、冷端换热器(7)、单向传热机构(3)以与环境气体隔绝的方式布置在该罩体(8)构成的真空绝热腔(9)内。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的变压吸附制冷机，其特征在于，所述配气阀(1)具有用于控制高压气体进入该吸附床(4)的高压阀(1H)和控制气体流出该吸附床(4)的低压阀(1L)。

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