CN112146307A - 一种吸附式分子流势能差制冷模型及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种吸附式分子流势能差制冷模型及方法，本制冷模型采用了两块平行设置的极板，在两块极板之间填充低自由度气体，其中的两块极板分为上极板（1）和下极板（2），下极板（2）对填充的气体的分子（3）具有吸附力，使上极板（1）和下极板（2）之间存在吸附力场（4），利用分子流状态下气体分子（3）之间碰撞概率低的原理，使两块极板之间可以形成高能效比的热传递，从而形成高效的单向传递能量的目的，即实现两块极板实现高效的制冷或者制热。

Description

一种吸附式分子流势能差制冷模型及方法

技术领域

本发明涉及制冷技术领域，特别是一种吸附式分子流势能差制冷模型及方法。

背景技术

目前制冷技术通常采用压缩机、冷凝器和风机组合形成的制冷设备进行制冷，例如空调和冰箱。但是目前的制冷设备的能效比极低，并且受外界环境温度影响大，因此制冷设备的能耗受环境温度的制约。并且制冷设置泄露的制冷剂氟利昂对全球变暖和臭氧层都会造成不小的影响，存在对环境危害大的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种能效比高、受环境温度影响小并且对环境无污染的制冷模型及制冷方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种吸附式分子流势能差制冷模型，包括两块极板，所述两块极板平行设置，所述两块极板之间存在间隙，间隙的距离不大于分子平均自由程，所述两块极板之间充入低自由度气体，所述气体密度低至气体分子不会发生碰撞，分子自由移动的距离指多个分子在热运动中发生相互碰撞的平均移动距离，使两块极板间距小于这个距离，能够使气体分子在热运动中基本不会发生碰撞，气体形成自由分子流领域的状态，当气体密度变得十分低使得分子的平均自由程与流动的特征尺度相比不为小量时，气体的间断分子效应就变得显著，通常的气体动力学方法不再适用。钱学森将稀薄气体流动分为三大领域，即滑流领域，过渡领域和自由分子流领域。在自由分子流领域，由于分子之间碰撞可能性很小，气体更多的以独立粒子的特性存在，因此在这种气体形成自由分子流领域的状态下，分子间基本不会发生碰撞，分子间不会发生碰撞，即不会发生热量转移，但是分子的热运动不可能停止，因此在分子热运动过程中，与两块极板的碰撞即可造成两块极板之间的热量转移，所述两块极板分为上极板和下极板，所述下极板对分子具有吸附力，在上极板和下极板之间形成吸附力场。因为下极板会对分子形成吸附力，因此分子始终处于一个吸附力场中，当分子离下极板远时，就会将速度转换为势能，当分子向下极板运动时，则分子的势能转变为速度，因为分子的速度等于热量，因此分子在与上极板碰撞时，处于势能最大的位置，分子热量最低，与上极板的碰撞会吸收上极板的热量，在分子吸收上极板的热量后，在向下极板运动过程中，势能转换为速度，在分子上即等同于热能，因此分子在与下极板碰撞时，分子的热能转移至下极板上，从而完成上极板到下极板单方向上的热量转移。

所述下极板为吸附内部填充气体的材料。

一种吸附式分子流势能差制冷方法，通过上述的一种吸附式分子流势能差制冷模型实施，包括以下步骤：

S1、选择性质稳定的低自由度气体，并选取一块能够对惰性气体分子造成吸引的下极板，以及不会对填充气体分子造成吸引的上极板；

S2、将下极板和上极板平行设置，并将极板的距离调整至小于气体分子平均自由程；

S3、排除下极板与上极板之间的空气，使两块极板之间处于真空状态；

S4、向极板之间充入低自由度气体，并且使填充气体处于分子流领域的状态；

S5、使下极板温度恒定；

S6、使上极板处于隔热空间，即可完成对上极板的制冷。

本发明具有以下优点：

1、具有极高的能效比。

2、工作范围广：能在任意环境温度下工作，高于内部分子流气体的液化温度即可。

3、内部工作气体可为惰性气体，环境友好、无污染。

4、在太空等固有真空环境具有非常明显的优势。

5、类似于涡流管，单级即可获得极低温度。

6、通过调节极板的距离，可以调节势能差，从而调节能量的传递速度及两侧温差的最大值。

附图说明

图1 为本发明的结构示意图；

图2 为分子向上极板运动示意图；

图3 为分子与上极板碰撞示意图；

图4 为分子向下极板运动示意图；

图5 为分子与下极板碰撞示意图；

图中：1-上极板，2-下极板，3-分子，4-吸附力场。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种吸附式分子流势能差制冷模型。包括能够吸引内部填充气体分子3的下极板2和不能够吸引内部填充气体分子3的上极板1；上极板1和下极板2平行设置，并且上极板1和下极板2之间的间距不大于分子3自由移动的距离，分子3自由移动的距离即两个分子3发生碰撞需要移动的距离；此距离根据填充入上极板1和下极板2之间的惰性气体密度而定。其中填充气体的密度低至分子流领域的状态。

分子流状态指当气体密度变得十分低使得分子3的平均自由程与流动的特征尺度相比不为小量时，气体的间断分子3效应就变得显著，通常的气体动力学方法不再适用。钱学森将稀薄气体流动分为三大领域，即滑流领域，过渡领域和自由分子流领域。在自由分子流领域，由于分子3之间碰撞可能性很小，气体更多的以独立粒子的特性存在。

自由度是一个物理概念，指的是确定一个物体位置所需要的独立坐标数目。

在满足低自由度气体的前提下，还能够满足吸附效果的气体与下极板1的组合中，目前有三种组合效果比较显著，分别是：铜板与二氧化碳气体，铜板与氩气，银板与氨气。其余效果相对较差的组合不再一一列出。

因此在下极板2和上极板1之间的吸附力场4中，吸附力场4使分子3热运动中势能变得很明显，即分子3在向上极板1运动过程中，分子3势能会显著增加，分子3速度会显著降低，而分子3的速度等同于热量，因此分子3与上极板1接触时会吸取上极板1的热量。反之，分子3向下极板2运动时，分子3的势能降低，势能转化为分子3的速度，即分子3的热能增加，在与下极板2碰撞时，分子3上的热能转移至下极板2上，从而完成从上极板1到下极板2之间的单向能量转移。

如图2至图5所示，分别为分子3向上极板1运动、与上极板1碰撞、向下极板2运动和与下极板2碰撞的过程。图2中分子3向上极板1运动，势能增加速度降低，图3中分子3与上极板1碰撞，吸取上极板1上的热量，速度增加，图4中分子3向下级板运动，势能降低速度增加，图5分子3与下极板2碰撞，将热能传递给下极板2。

将上极板1置于一个隔绝热量的空间中，将下极板2的温度控制为恒温，在分子3不断从上极板1吸收热量并传递给下极板的状态下，即可对上极板1一侧完成制冷；若是将上极板1的温度控制为恒温，则在分子3不断从上极板1吸收热量并传递给下级板的状态下，下极板2一侧则会形成制热。

通过本发明的技术方案，可以根据需要实现制冷或者制热。并且制冷和制热的能效比较高，能效比可以超过70%~80%，并且内部可采用惰性气体不会对环境造成任何污染。虽然在设备加工方面较为困难，但是在制冷和制热的效果上，以及环保的效果上，均取得了显著的进步。

本发明中的上极板1采用不具备吸附内部填充气体的材料，使上极板1与下极板2之间的吸附力场4效果最佳，同理可以采用吸附力小的上极板1，使上极板1与下极板2之间存在吸附力场4同样能够实现本技术方案。

Claims (5)

1.一种吸附式分子流势能差制冷模型，其特征在于：包括两块极板，所述两块极板之间存在间隙，间隙的距离不大于分子（3）平均自由程，所述两块极板之间充入气体，气体处于自由分子流领域的状态，在该状态下气体的分子（2）理论上不会发生碰撞，所述两块极板分为上极板（1）和下极板（2），所述下极板（2）对分子（3）具有吸附力，在上极板（1）和下极板（2）之间形成吸附力场（4）。

2.根据权利要求1所述的一种吸附式分子流势能差制冷模型，其特征在于：所述下极板（2）为可对填充气体产生吸附的材料。

3.根据权利要求1所述的一种吸附式分子流势能差制冷模型，其特征在于：所述气体为低自由度气体。

4.根据权利要求1所述的一种吸附式分子流势能差制冷模型，其特征在于：所述上极板（1）和下极板（2）相互平行。

5.一种吸附式分子流势能差制冷方法，通过权力要求1-3任意一项所述的一种吸附式分子流势能差制冷模型实施，其特征在于：包括以下步骤：

S1、选择性质稳定的低自由度气体，并选取一块能够对内部填充气体分子（3）造成吸引的下极板（2），以及不会对填充气体分子（3）造成吸引的上极板（1）；

S2、将下极板（2）和上极板（1）平行设置，并将极板的距离调整至小于气体分子（3）自由移动的距离；

S3、排除下极板（2）与上极板（1）之间的空气，使两块极板之间处于真空状态；

S4、向极板之间充入低自由度气体，并且使低自由度气体处于分子流领域的状态；

S5、使下极板（2）温度恒定；

S6、使上极板（1）处于隔热空间，即可完成对上极板（1）的制冷。

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