CN111448436A - 用于将主动冷却以低成本扩展到额外冷冻器内壁的独立辅助热虹吸管 - Google Patents

Abstract

辅助热虹吸管具有辅助制冷剂导管，该辅助制冷剂导管带有与冷冻器的内壁导热连接的辅助蒸发段。辅助制冷剂导管包含与主冷却设备的主制冷剂隔离的辅助制冷剂。辅助制冷剂导管还向上延伸到辅助蒸发段上方的高度处的辅助制冷剂导管的辅助冷凝段。热桥与辅助冷凝段物理热接触并且与主制冷设备的主蒸发段的一部分物理热接触。热通过热桥从辅助热虹吸管传递到主制冷剂导管并因此传递到主制冷设备以从冷冻器移除。

Description

用于将主动冷却以低成本扩展到额外冷冻器内壁的独立辅助 热虹吸管

背景技术

本发明大体涉及用于通过从内部冷冻柜壁移除热来冷却冷空间的这种类型的冷冻器的制冷或冷却设备，并且更具体地涉及在冷却式壁冷冻器、特别是超低温冷冻器中的温度分布的低成本改善。通过将主动冷却的内壁表面以低成本扩展到未被主冷却设备直接冷却的区域，实现改善的温度分布。改善温度分布使内容物更可靠和更均匀地冷却，以及降低运行成本。本发明可应用于常规压缩朗肯(Rankine)循环制冷系统和斯特林(Stirling)循环冷却器或低温冷却器系统。

图1到图6示出了将现有技术中已知的结构与本发明的结构相结合的超低温(ULT)冷冻器。如现有技术中已知的，ULT冷冻器通常具有由真空隔离门12闭合的真空隔离柜10。附接到门12的双重垫圈或三重垫圈14提供密封以抵抗来自周围环境的热和湿气。

通常，冷冻器通过冷却设备的组合来冷却，该冷却设备是连接到制冷剂回路的冷却器。冷却器是从制冷剂移除热并且冷凝制冷剂的机械制冷机器。冷却器被连接至制冷剂回路，该制冷剂回路具有包含将热从内部冷却空间内或周围传递至冷却器的制冷剂的制冷剂导管。术语“导管”在本说明书中用于指代制冷剂导管，该制冷剂导管是通过其内部通道输送制冷剂的制冷剂回路的一部分。由于制冷剂的高压，制冷剂回路中的导管通常主要是金属管。然而，制冷剂导管能够包括其他制冷剂通道，包括形成在冷却器中的通道以及在配件、歧管中或穿过金属板的通道，例如围绕常规家用制冷器的冷冻室的金属板中的通道。蒸发式制冷装备具有制冷剂导管，该制冷剂导管包括蒸发段和冷凝段，在蒸发段中，制冷剂通过蒸发来接收热，在冷凝段中，制冷剂通过冷却和冷凝来排出热。

与本发明一起使用的冷却器22被安装在柜10的顶室16中，但是一些类型的冷却器能够位于冷冻器的底部处。本发明与现有技术中已知的并且因此象征性地示出的冷却器22相关联地运行。例如，冷却器22可以是斯特林循环冷却器或低温冷却器，这是优选的，或者是使用压缩机和热交换器/冷凝器的常规压缩朗肯循环制冷系统。

本发明与现有技术中已知类型的主制冷剂回路结合使用。主制冷剂回路具有连续的制冷剂导管18，该制冷剂导管被集成到或热附接到冷冻柜10的内部竖直侧壁20用于直接冷却那些壁20。由于内壁20暴露于冷冻器的内部空气并且拦截来自冷冻器外部的热，因此与壁20相邻的内部空间将接受壁20的温度。制冷剂导管18的相对端部被连接到在图2至图5中示意性地示出的冷却器22。

出于显而易见的原因，以上描述的并且在现有技术中已知的冷却设备随后将被称为主冷却设备，并且其主要部件为主冷却器22和主制冷剂导管18。

尽管所述类型的现有技术的冷冻器已经成功地运行，但是它们具有需要消除的问题。在制造被热附接到柜内壁的制冷剂导管中的实际考虑限制了由主冷却设备主动冷却的内壁的区域。通常，由于主制冷剂导管没有沿行横穿顶柜壁24、底柜壁或门12的内壁并与顶柜壁24、底柜壁或门12的内壁热接触，所以内部空间的顶柜壁24和底柜壁(不可见)以及门12的内壁不会被冷却。原因是难以将管状导管弯曲成必要的构造。常规地，整个主制冷导管在其附接到内部柜壁的外表面之前被弯曲和成形。主制冷剂导管18需要从其顶部向下的连续倾斜以避免可能引起蒸汽锁定的低点或收集部(trap)。这种收集部是略低于其周围的相对端部的导管段，这可以允许液态制冷剂积聚在收集部中。积聚的液体会阻止汽相运动通过收集部，这会破坏主冷却设备的性能。当然，使侧壁和顶壁或底壁之间的拐角周围的管状主制冷剂导管弯曲以便在顶壁或底壁上方延伸制冷剂导管在技术上是可能的。形成具有所需斜坡以避免低点或收集部的这种主制冷剂导管在技术上也是可能的。但是，由于难以以不形成流动限制、低点或收集部的方式弯曲管状导管，因此这种制造工艺将大大增加成本。

一些柜壁区域未被主冷却设备主动冷却的结果是冷却空间内的温度分布较差。由于通常在内壁由冷却设备冷却的冷冻器中没有强制对流，因此温度分布不佳导致冷冻器中的冷却空气内的温度分层。通过这些未冷却的表面进入已冷却的内部柜空间的热必须由主动冷却的壁移除。这引起冷冻器内的温度梯度和分层，从而导致可能会损害存储在冷冻器内的样本或产品的较暖区域。由于在冷却的内部柜空间中的对流的累积效应和缺乏对内部顶柜壁进行主动冷却，所以冷冻柜内的较暖区通常在顶部附近。然而，内部柜空间被如此密集地封装以致对流受到阻碍的累积效应，结合缺乏对内部底柜壁的主动冷却，能够导致内部底部附近的区域较暖。理想的冷冻器将是在内部空间内没有温度梯度或分层的冷冻器，使得通过仪器显示的所需内部温度将准确地代表冷冻器的全部内容物的温度。

由于冷冻柜内的冷却空间中的温度的空间变化，所以还存在另一个问题。冷却设备必须至少冷却到冷却空间内的最低温度。如果冷冻器的操作者认识到上述不良温度分布的存在，并试图通过降低冷冻器的控制系统的设定点温度来补偿该问题，则冷冻器运行所消耗的能量及其成本将会增加。如果本发明能够减小冷冻器中的空间温度分布，则将降低运行冷冻器的成本。成本将会被降低不仅是因为较少或不需要补偿有问题的空间温度分布，而且还因为冷冻器内的最低温度将升高而最高温度将降低。最低温度的升高将意味着主冷却设备将需要更少的能量来运行。

因此，本发明的目标和目的是通过以下方式来简化冷冻器的构造，该方式通过将主动冷却扩展到顶和/或底内壁而无需将主制冷剂导管弯曲成既附接到侧壁又附接到冷冻器的内部柜壁的顶和/或底壁的构造，从而降低制造冷却式壁冷冻器的成本。

本发明的另一个目标和目的是通过基本上减少或消除冷冻器内的温度分布的空间变化来降低运行冷冻器的能量成本。

发明内容

发明添加了一种独立辅助热虹吸管，该辅助热虹吸管通过热桥与主冷却设备热连接，以便向未由主冷却设备直接冷却的冷冻器内部的部件提供主动冷却。这借助于辅助热虹吸管将主冷却设备的冷却功能热扩展到冷冻柜的附加内壁而没有将主制冷剂导管延伸到该附加内壁。辅助热虹吸管的制冷剂和主冷却设备的制冷剂在完全分开的独立流体回路中循环。辅助热虹吸管未被连接到泵或压缩机。主制冷剂导管的蒸发段通过各个制冷剂导管之间的热桥被连接到辅助热虹吸管的辅助制冷剂导管。热桥仅是可以在将主制冷剂导管被安装在衬管的壁上之后进行安装的机械连接。热桥位于辅助热虹吸管的较高高度部分处，并且辅助制冷剂导管从热桥向下延伸到与柜的内壁进行热连接。因此，热通过热桥从辅助热虹吸管被传送到主冷却设备。

更具体地，本发明的辅助热虹吸管具有辅助制冷剂导管，该辅助制冷剂导管具有与冷冻器的内壁导热连接的辅助蒸发段。辅助热虹吸管包含与主制冷剂隔离的辅助制冷剂。辅助制冷剂导管还向上延伸到辅助蒸发段上方的高度处的辅助制冷剂导管的辅助冷凝段。热桥与辅助冷凝段物理热接触并且与主蒸发段的一部分物理热接触，用于将热通过热桥从辅助热虹吸管传递到主制冷剂导管。

附图说明

图1是体现本发明的典型的超低温冷冻器的外部的立体图。

图2是图1的超低温冷冻器的立体图，但是移除了外部壳体和相邻的隔离部以露出内壁，该内壁形成其柜的内衬，并且还露出主冷却设备和本发明的辅助热虹吸管。

图3是图2所示的结构的一部分的放大图，示出了将主冷却设备连接到本发明的辅助热虹吸管的热桥的更多细节。

图4是图2中所示的结构的分解图。

图5是图1-4中所示的实施例的顶部平面图。

图6是沿图5中的线A-A截取的截面图。

图7是沿图5中的线A-A截取的截面放大图，示出了如图2至图6所示的实施例的段，并且详细示出了用于将辅助热虹吸管与冷冻柜的水平内壁热连接的安装支架，以将热虹吸管保持在适当的倾斜取向。

图8是本发明的热桥的中央热导体的顶部平面视图。

图9是本发明的热桥的中央热导体的立体图。

图10是沿图5的线10-10截取的截面放大图，示出了本发明的被组装的热桥。

图11是本发明的热桥的中央热导体的侧视图。

在描述附图中所示的本发明的优选实施例时，为了清楚起见将采用特定的术语。然而，无意将本发明限制于如此选择的特定术语，并且应当理解，每个特定术语包括以相似方式运行以实现相似目的的所有技术等同物。

具体实施方式

主要地参照图2至图6，本发明具有由包含辅助制冷剂的辅助制冷剂导管26形成的辅助热虹吸管。辅助制冷剂导管26具有辅助蒸发段28，该辅助蒸发段28以分布式导热连接安装到不与主制冷剂导管18热连接的冷冻柜内壁24。如图所示，辅助蒸发段28被热连接到顶内柜壁24。对于典型的ULT冷冻器，与热虹吸管热连接的内壁可以包括内部底壁和/或内部门壁或不与主制冷剂导管连接的任何其他壁。优选地，与本发明的热虹吸管热连接的每个不同壁将具有其自身的单独辅助热虹吸管以及其自身的热桥。

辅助制冷剂导管26从辅助蒸发段28向上延伸到辅助制冷剂导管26的辅助冷凝段30。辅助冷凝段30被定位在比辅助蒸发段28更高的高度处。尽管辅助制冷剂导管26的端部32可以被连接在一起以形成闭环热虹吸管，但是优选地，在抽空辅助制冷剂导管26并引入制冷剂充注之后，仅将端部32更简单地密封。

辅助制冷剂导管26通过热桥34连接到主制冷剂导管18。热桥34被插入为与辅助冷凝段30的外表面和主制冷剂导管18的主蒸发段36的一部分的外表面紧密物理接触。热桥34形成导热连接，该导热连接将热从辅助热虹吸管传递到主冷却设备的主制冷剂导管18。更具体地，热桥34通过传导将热从辅助冷凝段30通过热桥34传递到主蒸发段36。换句话说，主制冷剂导管18中的蒸发冷却并冷凝辅助制冷剂导管26中的制冷剂，并将从辅助制冷剂接收的热传输到主冷却器22处或中的主冷凝段。

除了通过热桥的物理连接之外，由辅助制冷剂导管26和其包含的辅助制冷剂形成的辅助热虹吸管完全独立于主制冷剂导管18和其包含的主制冷剂。在通过辅助制冷剂导管26的通道和通过主制冷剂导管18的通道之间没有流体连接。主制冷剂与辅助热虹吸管中的辅助制冷剂隔离。实际上，每种制冷剂可以使用不同的制冷剂，例如具有不同平衡温度的制冷剂。

类似的热虹吸管也可以被类似地热连接到其他内壁，例如连接到冷冻柜10的内部底壁。每个辅助热虹吸管将优选具有其自身的热桥，该热桥能够沿着主制冷剂导管18的蒸发段的任何位置连接至主制冷剂导管18。然而，为了使辅助导管用作热虹吸管，辅助制冷剂的冷凝必须在比辅助制冷剂的蒸发更高的高度处发生，使得冷凝的制冷剂能够向下流动到辅助蒸发段，而蒸发的制冷剂能够向上流动到辅助冷凝段。因此，每个辅助热虹吸管的冷凝段必须处于比通过热桥与辅助冷凝段连接的主蒸发段的部分更高的高度处。为此，优选的是辅助冷凝段30是辅助制冷剂导管18的顶端。然而，辅助制冷剂导管18可以延伸得更高，但是这种延伸将是不期望的非功能性过剩。

优选的热桥34的结构最佳见于图3到图11中。热桥34具有中央热导体38，其优选地由铝挤压件构成。沿着中央热导体38在纵向上形成有至少一个并且优选地两个热接收槽40。每个热接收槽40具有与辅助制冷剂导管26的辅助冷凝段30的外部横截面构造的至少一部分匹配的横截面构造。同样沿着中央热导体38在纵向上形成有至少一个并且优选地两个热排出槽42。每个热排出槽42具有与主制冷剂导管18的主蒸发段36的外部横截面构造的至少一部分匹配的横截面构造。匹配的表面改善物理接触，并且因此改善各个制冷剂导管18、26与中央热导体38之间的热传导。优选地，纵向槽40和42是平行的，并且在中央热导体38的直径相对侧上，并且围绕热接收槽和热排出槽之间的圆周交替。

中央热导体38和制冷剂导管18、26被组装在一起，其中辅助冷凝段30沿着热接收槽40平放(lying)，并且主蒸发段36的一部分沿着热排出槽42平放。至少一根并且优选地多根带44围绕并被拉紧，使得它们将组装的制冷剂导管18、26和中央热导体38紧密地夹紧在一起。带44不需要是导热的，但是希望它们是导热的。带迫使制冷剂导管18、26与中央热导体38高度导热接触。例如，能够将高强度金属捆扎带(也称为托盘包装捆扎带)拉到组件周围，用张紧器拧紧，并且然后通过常规的密封器保持张紧。带也可以被附接到顶内壁24以提供机械稳定性。

由于辅助热虹吸管能够被折叠或弯曲并且以其他方式分开制造，并且与主制冷剂导管和主冷却器的制造和安装分开，所以使用本发明的辅助热虹吸管节省成本。在安装主制冷剂导管后，先前制造的辅助热虹吸管通过简单的手动机械操纵来安装支架和热桥而安装。

在热虹吸管中，热从低处流向高处。热桥处的辅助冷凝段30不仅必须高于辅助蒸发段28，而且辅助蒸发段28还必须以避免低点或收集部的方式从热桥逐渐向下倾斜。因此，安装支架46在辅助蒸发段28和顶内壁24之间的热连接中沿着辅助蒸发段28以一定间隔分布。安装支架46具有逐渐变化的和在空间上变化的高度，并且被布置成使得热虹吸管从热桥34始终具有用于在热桥34处冷凝的液态制冷剂的逐渐向下流动的轨迹。安装支架46布置为使得它们以倾斜到水平面并且从其最低高度连续向上上升至热桥的取向支撑辅助蒸发段的构造。这种布置提供缓和斜坡，因此冷凝的液态制冷剂能够在没有收集部的情况下向下沿行以防止蒸汽向上上升到热桥。辅助蒸发段28及其连接的安装支架46能够使用铝或其他导热粘合带、热膏、热粘合剂或它们的组合被组装并保持抵靠内柜壁24。

上述热桥只是将与本发明一起起作用的热桥的许多可能构造中的一种。它的优点是安装起来方便、简单和相对安全，并具有高导热性。然而，存在其他热桥的示例。热桥能够通过将相应制冷剂导管优选地以小束的方式焊合、钎焊或焊接在一起而形成。然而，该构造发现由于难以将制冷剂导管支撑在粘合运行的适当位置，并且由于所需的热源诸如焊炬而损坏附近的结构的危险，而不方便。如果使用具有足够导热性的粘合剂，则可以将它们与粘合剂化合物粘合在一起。当然，也可以使用其他机械结构。

优选地，辅助制冷剂导管被加载至使特定制冷剂的汽液平衡温度处于冷冻器的选定工作温度的压力。由于辅助热虹吸管的辅助制冷剂导管及其所包含的制冷剂是完全分开的，并且与主制冷剂导管及其制冷剂无关，因此辅助制冷剂可以是与主制冷剂不同的制冷剂。另外，辅助制冷剂能够在辅助热虹吸管中被加载至使辅助制冷剂的汽液平衡温度处于与主制冷剂的蒸汽平衡温度不同的温度的压力。

在运行期间，主冷却设备通过热桥34为辅助热虹吸管的辅助冷凝段30提供冷却散热。附接到内衬的顶壁的辅助热虹吸管的辅助蒸发段28接收液态制冷剂的向下流动，该液态制冷剂在连接到热桥34的辅助热虹吸管的辅助冷凝段30处被冷凝。辅助热虹吸管的向下斜坡仅需要几度以促进液体流向辅助蒸发器段的所有部分。由于制冷剂接近或处于两相平衡，因此辅助热虹吸管实质上是等温的并提供了一种从内衬的顶部分移除热(有效冷却)的手段。这样做有利地降低了冷冻器内的温度分布。在实际测试中，辅助热虹吸管将温度空间分布降低约30％。

参考数字列表

10 ULT冷冻柜

12 柜门

14 柜门垫圈

16 柜顶室

18 主制冷剂导管

20 柜竖直侧壁

22 主冷却器

24 顶内柜壁

26 辅助制冷剂导管

28 辅助蒸发段

30 辅助冷凝段

32 辅助制冷剂导管的端部

34 热桥

36 主蒸发段

38 热桥的中央热导体

40 热桥的热接收槽

42 热桥的热排出槽

44 热桥周围的带

46 用于辅助制冷剂导管的安装支架

结合附图的详细描述主要旨在作为对本发明的当前优选实施例的描述，而不旨在代表可以构造或利用本发明的唯一形式。该描述结合图示的实施例阐述了实施本发明的设计、功能、手段和方法。然而，应当理解，相同或等同的功能和特征可以通过不同的实施例来实现，这些不同的实施例也旨在被包含在本发明的精神和范围内，并且在不脱离本发明或所附权利要求的范围的情况下可以采用各种修改。

Claims (10)

1.一种冷冻器，具有：冷冻柜，所述冷冻柜带有围绕冷却空间的内壁；以及主冷却设备，所述主冷却设备包括主冷却器和包含主制冷剂的主制冷剂导管，所述主制冷剂导管具有在所述主冷却器处的主冷凝段以及主蒸发段，一些所述主蒸发段与至少一些所述内壁导热连接，用于将热从所述内壁传递到所述主冷却器，所述冷冻器还包括：

(a)辅助热虹吸管，所述辅助热虹吸管包括辅助制冷剂导管，所述辅助制冷剂导管具有与所述冷冻柜的内壁导热连接的辅助蒸发段，所述辅助热虹吸管包含与所述主制冷剂隔离的辅助制冷剂，所述辅助制冷剂导管还向上延伸到所述辅助蒸发段上方的高度处的辅助冷凝段；以及

(b)热桥，与所述辅助冷凝段热物理接触并与所述主蒸发段的一部分物理接触，用于通过所述热桥将热从所述辅助热虹吸管传递到所述主制冷剂导管。

2.根据权利要求1的冷冻器，其中，所述热桥更具体地包括：

(a)中央热导体，所述中央热导体具有至少一个热接收槽，每个热接收槽具有与所述辅助制冷剂导管的所述辅助冷凝段的外部横截面构造的至少一部分匹配的横截面构造，并且还具有至少一个热排出槽，每个热排出槽具有与所述主制冷剂导管的所述主蒸发段的外部横截面构造的至少一部分匹配的横截面构造；

(b)所述中央热导体和所述制冷剂导管被组装为使得所述辅助冷凝段的至少一部分沿着所述热接收槽平放，以及所述主蒸发段的至少一部分沿着所述热排出槽平放；以及

(c)至少一根张紧的带，所述至少一根张紧的带围绕被组装的制冷剂导管和中央热导体并且将被组装的制冷剂导管和中央热导体夹紧在一起。

3.根据权利要求2的冷冻器，其中，所述辅助热虹吸导管具有形成所述辅助冷凝段的封闭的相对端部，其中所述中央热导体具有第二所述热接收槽，并且所述封闭的相对端部被组装在所述热接收槽中，其中所述中央热导体具有第二所述热排出槽，并且所述热排出槽中的每个包含所述主制冷剂导管的所述主蒸发段的一部分，并且其中被组装的制冷剂导管被多根所述带围绕并被夹紧在一起。

4.根据权利要求2的冷冻器，其中，所述辅助热虹吸管的所述辅助蒸发段与所述冷冻柜的顶内壁导热连接。

5.根据权利要求2的冷冻器，其中，所述辅助热虹吸管的所述辅助蒸发段与所述冷冻柜的底部内壁导热连接。

6.根据权利要求2的冷冻器，其中，所述辅助热虹吸管的所述辅助蒸发段与所述冷冻柜的门内壁导热连接。

7.根据权利要求2的冷冻器，其中，所述辅助热虹吸管的所述辅助蒸发段通过导热安装支架以导热连接的方式安装到内壁，所述导热安装支架附接到所述辅助蒸发段并且附接到所述内壁，所述安装支架具有在空间上变化的高度并且以支撑所述辅助蒸发段倾斜到水平面并从其最低高度连续向上上升到所述热桥的构造布置和分布在所述内壁上。

8.根据权利要求2的冷冻器，其中，所述辅助制冷剂导管被加载至使所述辅助制冷剂的汽液平衡温度处于所述冷冻器的选定工作温度的压力。

9.一种热桥，所述热桥用于将热从相对较暖的主体传递到相对较冷的主体并且包括：

(a)与所述相对较暖的主体热连接的一个或多个热排出管，以及与所述相对较冷的主体热连接的一个或多个热接收管；

(b)中央热导体，具有一个或多个向外开口的热接收槽，每个热接收槽具有与每个热排出管的外部横截面构造匹配的横截面构造，所述中央热导体还具有一个或多个热排出槽，每个热排出槽具有与每个热接收管的外部横截面构造匹配的横截面构造，所述中央热导体与所述管组装为使得每个热排出管沿着热接收槽平放并且每个热接收管沿着热排出槽平放；以及

(c)一根或多根张紧的带，所述一根或多根张紧的带围绕抵靠所述中央热导体的被组装的管并将抵靠所述中央热导体的被组装的管夹紧在一起。

10.根据权利要求9的冷冻器，其中，所述中央热导体具有多个所述热接收槽、多个所述热排出槽、多个热排出管和多个热接收管，并且其中所述热接收槽和所述热排出槽围绕所述中央热导体的外围交替。

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