專利名稱：用于控制流體溫度的裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及通過加熱和/或冷卻控制流體溫度的裝置。
背景技術：
在這里，術語“流體”指的是氣體和液體兩者。有許多裝置，其中流體溫度需要升高和/或降低。一些例子包括“白色商品”，如制冷器和洗衣機；建筑物或車輛中的空氣調(diào)節(jié)器；以及許多工業(yè)過程。
例如空氣調(diào)節(jié)器、冰箱和制冷器中的常規(guī)冷卻單元依賴于工作流體的壓縮以及隨后的絕熱膨脹。氟利昂是一種合適的工作流體。當然，這種常規(guī)技術應用廣泛，并且毋庸置疑很有效，但也有很重要的問題。通常由于其在壓縮/膨脹循環(huán)(通常稱為CFCs)中的有效性而選定的工作流體被認為是重要的溫室氣體。在生態(tài)上需要放棄對它們的使用。還需要放棄給工作流體加壓所需的泵壓機械。
盡管本發(fā)明在許多領域都有潛在的應用，但其中一種重要的潛在用途涉及空氣調(diào)節(jié)器中空氣溫度的調(diào)節(jié)。在這里，術語“空氣調(diào)節(jié)器”指的是傳送空氣流并具有用于冷卻和/或加熱所傳送的空氣的裝置的設備。常規(guī)的空氣調(diào)節(jié)單元通常借助于工作流體的絕熱膨脹來工作，且將被冷卻的工作流體提供到熱交換器，空氣在風機的作用下經(jīng)過該熱交換器。當然，這種調(diào)節(jié)器通常在溫度調(diào)節(jié)裝置的控制下并在必要時利用額外的加熱空氣的設備而廣泛應用于調(diào)節(jié)建筑物、車輛等中的空氣。
但是，常規(guī)的空氣調(diào)節(jié)器并不能很好地適用于某些應用。它們需要用于使空氣流通的風機和作用在工作流體上的泵。它們運行的結果可能產(chǎn)生一定程度的噪聲以及振動，而這在某些應用，特別是那些需要較小空氣吞吐量的應用中是不能接受的。特別地，還有一些應用中需要將小空氣流提供到人的近身區(qū)域，例如在氣候控制的就寢或就座情況下。這些應用涉及到溫度受到調(diào)節(jié)的空氣在閉合系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)。US4853992(YU)提供了一種座墊的例子，該座墊通過循環(huán)通過形成所述座墊本身的密閉外殼的空氣而被冷卻/加熱?？蛇x地，受到調(diào)節(jié)的空氣可以釋放到人的環(huán)境中，從而在他/她的近身區(qū)域中提供受到調(diào)節(jié)的空氣。在這兩種情況下，空氣調(diào)節(jié)單元通?？拷脩舭惭b，使噪聲和振動最小就格外重要。
作為依賴于絕熱流體膨脹的冷卻裝置的一種替代方案，已知使用固態(tài)熱電裝置。與該目的最相關的一種裝置也稱作“珀耳帖”裝置，并且起到熱泵的作用。這種裝置的可廣泛商用的例子被形成為夾層結構，其中兩個外部陶瓷板繞小的碲化鉍元件陣列布置。當DC電流施加到這些“熱泵墊”陣列上時，該裝置起到將熱從一個板泵送到另一板的作用。通過將熱從要熱被泵送到其上的板吸收，這種裝置可用于在另一板上施加冷卻效應。固態(tài)裝置具有重要的優(yōu)勢。它們結構緊湊并且沒有活動部件產(chǎn)生噪聲或振動。熱在裝置的板之間的泵送方向可以通過簡單地使施加到它們的DC電流反向而反向，因此，同一個裝置既可以用于加熱又可以用于冷卻。
法國在先專利FR 2594668(Chareire)公開了一種在睡眠時使用的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其使用“珀耳帖效應新空氣發(fā)生器”來向睡眠者頭上的封腔提供空氣。它依賴于風機使空氣流通。GB990668(Malaker實驗室公司)涉及這樣一種制冷系統(tǒng)，其中珀耳帖裝置以串聯(lián)的方式使用，以獲得非常低的溫度。被冷卻的空氣在壓縮和膨脹器缸體之間循環(huán)，經(jīng)過珀耳帖裝置。JP4265482(Kinoshita Masahiko等)公開了在空氣通路中設置具有輻射翅片的珀耳帖元件，以冷卻進入缸體的空氣。EP0672831(Isco)涉及一種用于超臨界流體抽吸的裝置，其使用熱電元件來冷卻泵裝置。US5242403公開了一種用于分配麻醉流體的計量泵。該裝置具有由珀耳帖裝置冷卻的活塞/缸體裝置，并且還具有由另一珀耳帖裝置冷卻的分離的儲存器。
在這些現(xiàn)有技術的裝置中，有一些使用往復泵來提供流體吞吐的例子。其中，珀耳帖裝置冷卻泵的缸體以便冷卻被泵送的流體。缸體的內(nèi)壁必須光滑并且沒有提供與流體熱交換的理想裝置。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于控制流體溫度的裝置，包括流體入口、流體出口以及往復排量式泵裝置，該泵裝置布置成通過入口吸入流體并通過出口排出流體，其中所述泵裝置經(jīng)由調(diào)節(jié)腔與入口和出口之一連通，流體在從入口到出口的路徑上經(jīng)過所述調(diào)節(jié)腔，并且在所述調(diào)節(jié)腔內(nèi)實施流體溫度控制，所述裝置還包括至少一個固態(tài)熱電式熱泵，其具有與調(diào)節(jié)腔內(nèi)的流體熱連接的第一側(cè)和布置成將熱傳遞至熱沉或接收來自熱源的熱的第二側(cè)，使得通過該熱電式熱泵，調(diào)節(jié)腔壁以及調(diào)節(jié)腔內(nèi)的流體的溫度是可控制的。
使用泵裝置推進流體通過分離的調(diào)節(jié)腔使得可以按下述方式形成該腔的內(nèi)部，即其促進與流體的熱交換。調(diào)節(jié)腔的內(nèi)部可成形為提供高表面積以用于熱交換。
優(yōu)選的實施例包括調(diào)節(jié)腔內(nèi)的熱交換特征，所述熱交換特征具有暴露給調(diào)節(jié)腔內(nèi)的流體的表面，以與流體進行熱交換，所述熱交換特征還與所述熱電式熱泵熱連接以與之進行熱交換。該特征毋庸置疑促進了流體與熱電式熱泵之間的熱交換。它們可以包括翅片。優(yōu)選地，它們與調(diào)節(jié)腔壁一體地形成。
泵裝置優(yōu)選地包括缸體和往復活塞。
在結構方便的實施例中，缸體為圓形，所述調(diào)節(jié)腔為圍繞所述缸體并與之同心的大體環(huán)形或半環(huán)形空腔。
調(diào)節(jié)腔壁繞所述缸體的至少一部分布置，所述調(diào)節(jié)腔限定在所述缸體的外表面和所述調(diào)節(jié)腔壁的內(nèi)表面之間。
在本發(fā)明的裝置用于冷卻的情況下，它優(yōu)選地包括熱沉，其布置成接收來自所述熱電式熱泵的第二側(cè)的熱。在這一實施例中，熱沉形成圍繞所述調(diào)節(jié)腔壁的罩。
在本發(fā)明的特別優(yōu)選的實施例中，缸體被活塞分成第一和第二工作腔，使得沿一個方向的活塞運動將流體抽吸到第一工作腔中并從第二工作腔中排出，沿相反方向的活塞運動將流體從第一工作腔中排出并將流體抽吸到第二工作腔中，所述單元還包括閥裝置，其選擇性地將任意時刻正排出流體的任一個工作腔連接至泵出口，從而提供通過出口的單方向流。
優(yōu)選地，每個工作腔與布置成從該腔排出流體并連接至出口的相應單向閥連通。更優(yōu)選地，每個腔另外與布置成允許流體進入該腔的相應的單向閥連通。
原則上，兩個工作腔都可以供給單個調(diào)節(jié)腔。但是，優(yōu)選地，本發(fā)明的裝置包括第一和第二調(diào)節(jié)腔，其分別可與缸體內(nèi)的第一和第二工作腔連通。
方便地，所述第一和第二調(diào)節(jié)腔一起形成圍繞缸體的環(huán)。這可以通過下述結構實現(xiàn)，在該結構中，第一和第二調(diào)節(jié)腔兩者都限定在缸體和調(diào)節(jié)腔壁之間。
往復式泵可能造成很大的振動，但事實上對于其中流體吞吐量需求較小并且泵內(nèi)的工作容積足夠大的情況，泵的往復部件以及它們運動的頻率可以足夠小以至于產(chǎn)生很小的振動和噪聲。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種流體冷卻裝置，其包括往復排量式泵以及與冷卻腔相連用以在流體通過冷卻腔時冷卻它的至少一個固態(tài)熱電式熱泵，該往復排量式泵布置成使流體單方向地經(jīng)由至少一個冷卻腔從入口到出口流通。
現(xiàn)在將僅通過例子并參考附圖描述本發(fā)明的具體實施例，附圖中圖1是依據(jù)本發(fā)明構造的流體溫度控制裝置的軸向示意性剖視圖；圖1a是圖1所示的裝置的徑向示意性剖視圖；圖2是依據(jù)本發(fā)明構造的另一流體溫度控制裝置的主要部件的分解視圖；
圖3顯示圖2所示裝置沿軸向平面的剖視圖；圖4顯示同一裝置沿徑向平面的剖視圖；圖5是同一裝置的外部的透視圖；圖6顯示同一裝置的端板的平面圖；和圖7顯示用在所述裝置中的球閥的軸向剖視圖。
具體實施例方式
圖1是具體實施本發(fā)明的裝置的稍微簡化的視圖，其用于圖示一些相關原理。該裝置10為獨立整體式，包括使流體循環(huán)的泵和用于調(diào)節(jié)流體的熱交換裝置。
泵為反復排量式，具有活塞12，其容納在缸體14中，活塞12與缸體14形成密封但滑動配合。活塞通過延伸穿過缸體并且借助于相應的端帽18、20支撐在缸體的相對兩端中的導螺桿16以低速往復驅(qū)動。電動馬達22通過傳動裝置驅(qū)動導螺桿16。在本實施例中，當活塞到達其行程末端時，活塞的運動方向通過使馬達22的旋轉(zhuǎn)方向反向而反向。對于本領域普通技術人員來說，實現(xiàn)這一點的適當裝置是顯而易見的，例如設置一對微型開關，其布置成在活塞到達其行程相應末端時由活塞致動并連接至馬達控制電子器件。導螺桿被接收在活塞12中的軸向貫穿螺紋孔中，借此導螺桿的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成活塞的直線運動。當然，必須防止活塞12與導螺桿一起旋轉(zhuǎn)，但活塞與缸體之間的摩擦通常足以確保這一點。對本領域普通技術人員來說顯而易見的是，在其它實施例中也可以采用其它裝置來反復驅(qū)動活塞，例如使用曲柄或偏心驅(qū)動裝置。
盡管活塞運動的方向反向，泵需要提供單方向的空氣流。活塞將其缸體14分成一對工作腔26、26′。一對單向閥30、32和30′、32′與每個工作腔連通。與給定工作腔連通的兩個閥相反地定向。即，該對閥中的一個閥布置成允許空氣進入相應工作腔，另一閥布置成將空氣從中排出。兩個進氣閥30、30′連接至空氣調(diào)節(jié)單元的共同的空氣輸入端，其示意性地用34表示。兩個排氣閥32、32′連接至裝置的共同的空氣排氣端，其示意性地用36表示。不管活塞運動的方向如何，總有一個工作腔26或26′通過共同的排氣端36及其排氣閥32或32′排出空氣，而另一腔26′或26通過共同的入口端34及其閥30′、30接收空氣。這樣，閥確保了流體單向且(除了活塞的反復運動中當活塞靜止時的短暫時間外)連續(xù)的吞吐。但是，在其它實施例中，兩個入口和兩個出口不必連在一起。相反，它們可以通向不同的流體源和/或使用點。特別地，可以提供從出口到入口的流體循環(huán)，以允許流體經(jīng)歷多個冷卻階段，從而達到特別低的溫度。
應注意，缸體14容納在圓柱形外殼體38內(nèi)，并且流體通過進氣閥30進入到工作腔26的通路經(jīng)由限定在缸體14和殼體38之間的半環(huán)形腔40。類似地，流體通過進氣閥30′進入到工作腔26′的通路經(jīng)由半環(huán)形腔40′。兩個半環(huán)形腔40、40′沿缸體長度延伸并由縱向分隔壁42、44分隔，所述縱向分隔壁42、44在圖2中可見，位于包含缸體軸線的同一個平面內(nèi)。這種布置的結果是，向工作腔26進氣的進氣閥30處于缸體相對于該腔的遠端處，類似地，進氣閥30′處于缸體相對于進氣閥30′為之進氣的工作腔26′的遠端處。
半環(huán)形腔40、40′可以稱作“調(diào)節(jié)腔”，原因是正是在它們內(nèi)部借助于固態(tài)熱電裝置50、50′通過冷卻和/或加熱實施對流體的調(diào)節(jié)。一組相應的熱電裝置位于兩個腔40、40′內(nèi)，位于給定腔內(nèi)的這些裝置連接至共同的供電/電控設備。這些裝置以半圓形方式布置在調(diào)節(jié)腔內(nèi)。由于腔的長度以及較低的空氣吞吐量，空氣在熱電裝置附近的駐留時間很長。例如基于輸出空氣的溫度的溫度控制設備可以操作熱電裝置的供電。通過使提供給熱電裝置的DC供電反向，可以使所述單元加熱空氣而不是冷卻它?？梢栽诒玫墓ぷ髑换蚱涑隹谥惺褂脽崦綦娮鑱硖綔y輸出空氣的溫度。
圖2到7示出本發(fā)明的第二物理實施例的更多的構造細節(jié)。該實施例的許多主要部件在圖1和1a的裝置中有對應，在整個說明書中相同的附圖標記用于這些部件。在第二實施例中，活塞12再一次借助于電動馬達22通過導螺桿16驅(qū)動。還借助于穿過活塞的導桿100與螺桿的摩擦而防止活塞旋轉(zhuǎn)，從而活塞與缸體形成密封配合。缸體14帶有位于活塞的相對兩側(cè)上并在共同的軸向平面內(nèi)的分隔壁42、44。在本實施例中，調(diào)節(jié)腔40、40′通過繞缸體定位的一對半環(huán)形罩102、102′形成。這些罩由導熱材料，優(yōu)選地由金屬形成。它們均具有調(diào)節(jié)腔壁部104、104′，其在徑向外表面上帶有相應珀耳帖型固態(tài)熱電式熱泵裝置堆50、50′。每個壁部104、104′的徑向內(nèi)表面設有用于促進與相應調(diào)節(jié)腔內(nèi)的流體之間的熱交換的特征。與光滑的圓柱表面的情況相比，這些特征用于增加可用于熱交換的表面積。在本實施例中，它們?yōu)槌崞?06、106′的形式，這些翅片與腔壁104、104′一體形成并沿軸向延伸。其效果是在每個調(diào)節(jié)腔內(nèi)形成一組窄通道以用于吞吐流體，在該窄通道內(nèi)熱交換得到強化。
在裝置用于冷卻的情況下，熱從流體傳遞到調(diào)節(jié)腔壁104、104′，由此被熱泵裝置50、50′泵送，所述熱泵裝置安裝在腔壁上并與之熱連接。為了散掉該熱，裝置的外殼體形成為熱沉。該殼體被構造成兩個殼體半部108、108′并繞半環(huán)形罩102、102′組裝，從而形成調(diào)節(jié)腔。其最內(nèi)層表面為圓柱形，其外表面由一組翅片112、112′形成，從而提供與大氣進行熱交換的表面積。如果必要，翅片可用于在翅片上提供空氣流。
需要將熱從熱泵裝置50、50′的最外層墊傳導到外部熱沉的路徑，在本發(fā)明中，這通過其徑向內(nèi)表面與熱泵裝置的最外層表面熱連接的半環(huán)形調(diào)節(jié)罩114、114′提供。導熱罩在它們的徑向外表面上帶有一體的導熱葉片116、116′，其在本實施例中形成為在圓周上延伸的環(huán)，用于將熱傳導到形成熱沉的殼體半部108、108′。
通過端板18、20中的凹部提供使空氣流入、流出裝置的腔或在腔之間流動，端板之一本身在圖6中示出。軸向的貫穿孔120、120″用于允許流體進入相應的缸體工作腔(見圖3)并接納單向閥(其在圖3中省略，但將在下面描述)。需要導管將缸體中的每個工作腔26、26′連接至與其相關的調(diào)節(jié)腔，這通過形成在端板中并定位成與相應腔連通的半環(huán)形凹部124來提供。從調(diào)節(jié)腔的流體出口通過“C”形凹部130以及從凹部延伸的徑向孔132，所述凹部130定位成僅與相應的調(diào)節(jié)腔連通，所述徑向孔132螺紋擰接地接納單向出口閥(在圖6中未示出，但在圖7中示出)。端板18、20由隔熱材料，具體地塑料形成，以使從外部熱沉108、108′到內(nèi)部部件的熱傳遞最少。
為了完整性，圖7顯示了一種合適的單向閥，盡管其結構是常規(guī)的并且本領域普通技術人員當然也了解各種其它的合適的閥裝置。閥140具有受約束地容納在中空的圓形閥殼體144中的球142，閥殼體144提供閥入口146和出口148。球能在閥座150與止動肩部152之間前后運動，當有必要防止流體回流時，閥抵靠球座形成密封，球能抵靠在止動肩部上而不會妨礙向前的流體流。
所示的裝置非常適于用作空氣調(diào)節(jié)單元，在這種情況下，它排出的調(diào)節(jié)空氣可以提供給控制氣候的床或座椅。輸入空氣可以來自于普通的環(huán)境或者可選地，空氣可以從床或座椅再循環(huán)。本發(fā)明還可應用于制冷領域。來自上述空氣調(diào)節(jié)單元的冷卻的空氣輸出可以供給到冰箱、制冷器的抽屜和冷卻器抽屜等，以提供必要的冷卻效果?？蛇x地，上面描述以及這里所顯示的相同的總體構造可用在用于冷卻要提供給制冷抽屜的熱交換器的液體或氣態(tài)工作流體的裝置中。裝置的入口和出口可以連接至所述熱交換器并使工作流體在其中循環(huán)。
實際上，具體實施本發(fā)明的裝置具有各種可能的用途。水冷卻就是其中之一。過濾器可以布置在流體流動路徑中，以去除諸如水污染物的雜質(zhì)?？梢栽谑芸氐臏囟认略谘b置內(nèi)的流體上實施電解。在鈾的再處理中，需要流體溫度調(diào)節(jié)，在這方面可應用本裝置。
權利要求
1.一種用于控制流體溫度的裝置，包括流體入口、流體出口以及往復排量式泵裝置，該泵裝置布置成通過入口吸入流體并通過出口排放流體，其中所述泵裝置經(jīng)由調(diào)節(jié)腔與入口和出口之一連通，流體在從入口到出口的路徑上經(jīng)過所述調(diào)節(jié)腔，并且在所述調(diào)節(jié)腔內(nèi)實施流體溫度控制，所述裝置還包括至少一個固態(tài)熱電式熱泵，其具有與調(diào)節(jié)腔內(nèi)的流體熱連接的第一側(cè)和布置成將熱傳遞至熱沉或接收來自熱源的熱的第二側(cè)，使得通過該熱電式熱泵，調(diào)節(jié)腔壁以及調(diào)節(jié)腔內(nèi)的流體的溫度是可控制的。
2.如權利要求1所述的裝置，包括位于調(diào)節(jié)腔內(nèi)的成形熱交換特征，所述熱交換特征具有暴露給調(diào)節(jié)腔內(nèi)的流體以與流體進行熱交換的表面，所述熱交換特征還與所述熱電式熱泵熱連接以與之進行熱交換。
3.如權利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述調(diào)節(jié)腔具有導熱壁，所述導熱壁的內(nèi)部暴露給流體，所述熱電式熱泵安裝在所述調(diào)節(jié)腔壁的外部并與之熱連接。
4.如權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述熱交換特征包括翅片。
5.如權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述熱交換特征與所述調(diào)節(jié)腔壁一體形成。
6.如權利要求4或5所述的裝置，其特征在于，所述翅片在所述調(diào)節(jié)腔內(nèi)沿流體流動方向延伸。
7.如前述權利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，所述泵包括活塞和缸體。
8.如權利要求7所述的裝置，其特征在于，所述缸體為圓形，所述調(diào)節(jié)腔為圍繞所述缸體并與之同心的大體環(huán)形或半環(huán)形空腔。
9.如權利要求7或8所述的裝置，其特征在于，前述調(diào)節(jié)腔的導熱壁繞所述缸體的至少一部分布置，所述調(diào)節(jié)腔限定在所述缸體的外表面和所述調(diào)節(jié)腔壁的內(nèi)表面之間。
10.如前述權利要求中任一項所述的裝置，還包括熱沉，其布置成接收來自所述熱電式熱泵的第二側(cè)的熱。
11.如權利要求7、8或9所述的裝置，還包括熱沉，其布置成接收來自所述熱電式熱泵的第二側(cè)的熱并形成圍繞所述調(diào)節(jié)腔壁的罩。
12.如權利要求7、8、9或11所述的裝置，其特征在于，所述缸體被活塞分成第一和第二工作腔，使得沿一個方向的活塞運動將流體抽吸到第一工作腔中并從第二工作腔中排出，沿相反方向的活塞運動將流體從第一工作腔中排出并將流體抽吸到第二工作腔中，所述單元還包括閥裝置，其選擇性地將任意時刻正排出流體的任一個工作腔連接至泵出口，從而提供通過出口的單方向流。
13.如權利要求12所述的裝置，其特征在于，每個工作腔與相應的單向閥連通，所述單向閥布置成從該腔排出流體并連接至出口。
14.如權利要求13所述的裝置，其特征在于，每個腔另外與布置成允許流體進入該腔的相應的單向閥連通。
15.如權利要求12-14中任一項所述的裝置，包括第一和第二調(diào)節(jié)腔，其分別與缸體內(nèi)的第一和第二工作腔連通。
16.如權利要求15所述的裝置，其特征在于，所述第一和第二調(diào)節(jié)腔一起形成圍繞缸體的環(huán)。
17.如權利要求16所述的裝置，其特征在于，所述第一和第二調(diào)節(jié)腔都限定在缸體和調(diào)節(jié)腔壁之間。
18.如權利要求17所述的裝置，其特征在于，所述第一和第二調(diào)節(jié)腔通過位于包含缸體軸線的平面內(nèi)的分隔壁彼此分隔開。
19.如前述權利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，所述泵裝置包括導螺桿，其與活塞螺紋接合以便往復地驅(qū)動活塞。
20如前述權利要求中任一項所述的裝置，該裝置是空氣調(diào)節(jié)裝置。
21.一種床或座椅，包括如權利要求20所述的空氣調(diào)節(jié)裝置。
22.一種制冷單元，其設有根據(jù)權利要求1-19中任一項所述的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種通過加熱和/或冷卻控制流體溫度的裝置。它包括反復排量式泵裝置(12，14)，其將流體從出口(34)經(jīng)由調(diào)節(jié)腔(40，40′)推進到出口(36)，流體溫度控制在所述調(diào)節(jié)腔內(nèi)通過優(yōu)選地為珀耳帖型的熱電式熱泵(50，50″)實施。
文檔編號F24F5/00GK101036027SQ200580030374
公開日2007年9月12日 申請日期2005年9月12日 優(yōu)先權日2004年9月11日
發(fā)明者P·伯恩斯 申請人:舒雅世界有限公司