專利名稱：包括熱電模塊的制冷系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及制冷系統(tǒng)，更具體地，涉及包括熱電模塊的制冷系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
包括蒸汽壓縮循環(huán)的制冷系統(tǒng)能夠用于單溫應用以及多溫應用，單溫 應用為例如具有保持在相似溫度的一個或多個隔室的冷凍機或水箱，而多 溫應用為例如具有保持在不同溫度的多個隔室的水箱，所述多個隔室如低 溫(冷凍)隔室以及中溫或高溫(新鮮食品儲藏)隔室。
蒸汽壓縮循環(huán)利用壓縮機來壓縮工作流體(如制冷劑)并且還利用了
冷凝器、蒸發(fā)器和膨脹裝置。對于多溫應用，壓縮機的尺寸一^:根據(jù)低溫 隔室的最低運行溫度來確定。于是，壓縮機的尺寸一般大于實際需求的尺 寸，從而導致效率降低。此外，較大的壓縮機會以較高的內(nèi)部溫度運行， 從而需要用于壓縮機內(nèi)的潤滑油的輔助冷卻系統(tǒng)來防止壓縮機燒壞。
基于上述考慮，制冷系統(tǒng)可使用多個壓縮機以及使用相同或不同的工 作流體。但是，使用多個壓縮機和/或多種工作流體，會增加制冷系統(tǒng)的成 本和/或復雜性，并且無法提高整體的效率增益。
此外，在某些應用中，壓縮機和/或制冷劑的使用受到所要達到的溫度 的限制。例如，對于開式傳動軸的壓縮機，需利用沿著傳動軸的密封將工 作流體維持在壓縮機內(nèi)。當在密封開式傳動軸的壓縮機中采用例如R134A 的工作流體時，在不引起傳動軸密封泄漏的情況下能夠取得的最低溫度是 受到限制的。即，如果期望取得過低的溫度，則會形成真空，4吏得周圍的 空氣,皮^^壓縮機內(nèi)部并使系統(tǒng)受到污染。為避免這種情況，則需要其它 類型的壓縮機和/或工作流體。然而，這些其它類型的壓縮機和/或工作流 體可能會更加昂貴和/或更加低效。
此外，制冷系統(tǒng)需要除霜循環(huán)用以融化在蒸發(fā)器上聚集或形成的冰。 傳統(tǒng)的除霜系統(tǒng)利用有選擇地操作的電輻射熱源來加熱蒸發(fā)器并融化其 上形成的水。然而，輻射熱源的效率較低，因此增加了操作制冷系統(tǒng)的成本并加大了復雜性。還可利用來自壓縮機的熱的氣體來為蒸發(fā)器除霜。然 而這種系統(tǒng)需要額外的管道設備和控制器，因此增加了制冷系統(tǒng)的成本和 復雜性。

發(fā)明內(nèi)容
一種可用來滿足多溫應用和單溫應用二者的溫度/負載要求的制冷系 統(tǒng)。該制冷系統(tǒng)包括蒸汽壓縮(制冷)回路以及液體傳熱回路，通過一個 或多個熱電裝置使它們彼此具有傳熱關系。該制冷系統(tǒng)可將制冷分級，其 中由蒸汽壓縮回5m供第二級制冷，并且由與傳熱回路相結(jié)合的熱電裝置 提供第一級制冷。分級制冷可降低施加在單個壓縮機上的負荷，從而允許 使用更小、更高效的壓縮機。此外，降低壓縮機的負荷允許在使用的壓縮 機和/或制冷劑的類型上具有更多的選擇。而且，可通過反轉(zhuǎn)熱電裝置的操 作來提供除霜功能。
熱電裝置的第一端和第二端分別與流經(jīng)制冷回路的可壓縮工作流體以 及流經(jīng)傳熱回路的傳熱流體具有傳熱關系。熱電裝置在可壓縮工作流體和 傳熱流體之間形成溫度梯度，從而允許從可壓縮工作流體和傳熱流體中的 其中 一種中提取熱量并通過熱電裝置將熱量傳送至另 一種中。
制冷系統(tǒng)可包括與傳熱回路和蒸汽壓縮回路具有傳熱關系的熱電裝 置。傳熱回路可在流經(jīng)其中的傳熱流體和第一制冷空間之間傳送熱量。蒸 汽壓縮回路可在流經(jīng)其中的制冷劑和氣流之間傳送熱量。熱電裝置在傳熱
流體和制冷劑之間傳送熱量。
具有蒸汽壓縮回路、傳熱回路和熱電裝置的制冷系統(tǒng)的運行方法包括 在流經(jīng)傳熱回路的傳熱流體和熱電裝置的第一端之間傳送熱量，以及在流 經(jīng)蒸汽壓縮回路的制冷劑和熱電裝置的第二端之間傳送熱量。
另外，制冷系統(tǒng)可以以冷卻模式運行，包括將熱量從傳熱回路傳送至 熱電裝置，以及將熱量從熱電裝置傳送至制冷回路。而且，制冷系統(tǒng)還可 以以除霜模式運行，包括將熱量從熱電裝置傳送至傳熱回路，并利用流經(jīng) 傳熱回路的傳熱流體來為熱交換器除霜。制冷系統(tǒng)的運行可以有選擇地在 冷卻模式和除霜才莫式之間轉(zhuǎn)換。
利用制冷系統(tǒng)為空間調(diào)節(jié)溫度的方法包括利用蒸汽壓縮循環(huán)形成用 于熱電裝置第一端的第一吸熱源，以及利用熱電裝置的第二端形成用于傳熱流體的第二吸熱源。熱量可經(jīng)由熱電裝置從傳熱流體傳送至蒸汽壓縮循 環(huán)中的制冷劑，從而實現(xiàn)對于空間的溫度調(diào)節(jié)。
從下文具體的描述中將更加了解本發(fā)明所能夠適用的更多領域。應當 理解，詳細的描述和具體的示例只是用于it明的目的，而非意于限制本發(fā) 明的范圍。


從詳細描述和附圖中可以更加全面地理解本發(fā)明，其中
圖1為杉L據(jù)本發(fā)明的制冷系統(tǒng)的示意圖2為才艮據(jù)本發(fā)明的制冷系統(tǒng)的示意圖3為根據(jù)本發(fā)明的制冷系統(tǒng)的示意圖4為圖3所示的制冷系統(tǒng)以除霜模式運行的示意圖；以及
圖5為才艮據(jù)本發(fā)明的制冷系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式
下面的描述實質(zhì)上僅為示例性的描述，決非意于限制本發(fā)明及其應用 或使用。此處使用參考標記來描述多個不同的實施方式。對于類似的元件 使用類似的參考標記。例如，如果在某一實施方式中指定某一元件為10， 則在接下來的實施方式中類似的元件可以指定為110， 210等。此處使用的 術(shù)語"傳熱關系"指允許熱量從一種介質(zhì)傳送至另一^h質(zhì)的關系，包括對 流、傳導和輻射等傳熱。
現(xiàn)參照圖l,制冷系統(tǒng)20為多溫系統(tǒng)，其具有設計成維持在第一溫度 的第一隔室或制冷空間(下文中稱作隔室)22以及設計成維持在比第一隔 室22的溫度更低的溫度的第二隔室或制冷空間(下文中稱作隔室)24。例 如，制冷系統(tǒng)20可為商用冰箱或家用冰箱，其具有設計用于新鮮食物儲藏 的為中溫隔室的第一隔室22以及設計用于冷凍食物儲藏的為低溫隔室的 第二隔室24。制冷系統(tǒng)20是一個混合或合成系統(tǒng)，它利用蒸汽壓縮循環(huán) 或回路(VCC ) 26、熱電模塊(TEM) 28以及傳熱回路29來冷卻隔室22、 24并在其中維持所需溫度。熱電模塊28和傳熱回路29將第二隔室24維 持在所需溫度，而蒸汽壓縮回路26將第一隔室22維持在所需溫度并吸收來自熱電模塊28的廢熱。蒸汽壓縮回路26、熱電模塊28和傳熱回路29 的尺寸設計成滿足第一隔室和第二隔室22、 24的供熱負載。
熱電模塊28包括一個或多個與熱交換器相結(jié)合的熱電元件或裝置30， 用于從流經(jīng)傳熱回路29的傳熱流體中除去熱量，并將熱量引入流經(jīng)蒸汽壓 縮回路26的制冷劑中。熱電裝置30連接到電源32，電源有選擇地為每個 熱電裝置30供應直流電(功率)。熱電裝置30將來自電源32的電能轉(zhuǎn)化 為每個熱電裝置30的相對端之間的溫度梯度，其公知為珀爾貼效應 (Peltier effect)。熱電裝置可從不同的供貨商處獲得。例如，內(nèi)華達州卡 森市的Kryotherm USA即為熱電裝置的供貨商。電源32可改變或調(diào)整流 至熱電裝置30的電流。
流經(jīng)熱電裝置30的電流導致每個熱電裝置30具有相對較低溫度端或 冷端34以JM目對較高溫度端或熱端36 (在下文中稱作冷端和熱端)。應當 理解，術(shù)語"冷端"和"熱端，，可指熱電裝置的具體的端、表面或區(qū)域。 冷端34與傳熱回路29具有傳熱關系，而熱端36與蒸汽壓縮回路26具有 傳熱關系，從而將熱量從傳熱回路29傳送至蒸汽壓縮回路26。
熱電裝置30的冷端34與熱交換元件38具有傳熱關系并形成傳熱回路 29的一部分。傳熱回路29包括流體泵42、熱交換器44以及熱電模塊28 (熱電裝置30和熱交換元件38 )。傳熱流體流經(jīng)傳熱回路29的部件從而 除去第二隔室24中的熱量。傳熱回路29可為單相流體回路，使得流經(jīng)其 中的傳熱流體在整個回路中保持為單相。在傳熱回路29中可使用多種單相 流體。作為非限定示例，單相流體可為甲酸鉀或其它類型的次級熱傳送流 體,例如可從英國劍橋郡的Environmental Process Systems Limited (環(huán)境 處理系統(tǒng)有限公司)獲得并以Tyfo⑧商標出售的單相流體等。
泵42泵送傳熱流體通過傳熱回路29的部件。流經(jīng)熱交換元件38的傳 熱流體通過與熱電裝置30的冷端34的熱接觸而受到冷卻。熱交換元件38 的作用為促進流經(jīng)傳熱回路29的傳熱流體和熱電裝置30的冷端34之間的 熱接觸。通過增大與傳熱流體接觸的傳熱表面區(qū)域可以促進傳熱。 一種可 實現(xiàn)上述目的的熱交換元件38包括微型通路管道系統(tǒng)，微型通路管道系統(tǒng) 與每個熱電裝置30的冷端34進行熱接觸并且具有傳熱流體流經(jīng)的通路。 通過與冷端34的熱接觸而從流經(jīng)熱交換元件38的傳熱流體中提取熱量， 并使流經(jīng)熱交換元件38的傳熱流體降溫，例如降至-25。F。傳熱流體由熱 交換元件38流出并流經(jīng)泵42。作為非限定示例，從泵42流出的傳熱流體以起始的理想溫度-25。F流 經(jīng)熱交換器44。風扇48使第二隔室24內(nèi)的空氣循環(huán)經(jīng)過蒸發(fā)器44。熱量 Qi從熱負載中被提取出來并被傳送至流經(jīng)熱交換器44的傳熱流體。傳熱 流體流出熱交換器44并流經(jīng)熱交換元件38，從而將從流經(jīng)第二隔室24的 氣流中提取的熱量Qi排放到蒸汽壓縮回路26。
熱量從熱電裝置30的冷端34流至其熱端36。為了促進從熱端36除 去熱量，熱電模塊28包括與每個熱電裝置30的熱端36熱接觸的另一熱交 換元件60。熱交換元件60形成蒸汽壓縮回路26的一部分，并將從流經(jīng)第 二隔室24的氣流中4^取的熱量移送到流經(jīng)蒸汽壓縮回路26的制冷劑中。 熱交換元件60可采用多種形式。熱交換元件60的作用為促進熱電裝置30 的熱端36和流經(jīng)蒸汽壓縮回路26的制冷劑之間的傳熱。增大與流經(jīng)熱交 換元件60的制冷劑相接觸的熱傳導表面面積能促進二者之間的傳熱。能實 現(xiàn)該目的的熱交換元件60的一種可能形式包括與每個熱電裝置30的熱端 36進行熱接觸的微型通路管道系統(tǒng)。所述熱接觸增加了流經(jīng)熱交換元件60 的制冷劑的溫度。
操作電源32來為熱電裝置30提供電流，從而維持橫跨熱電裝置30的 例如AT-45。F的所需的溫度梯度。流經(jīng)熱電裝置30的電流在熱電裝置30 中產(chǎn)生熱量(即，焦耳熱)。因此，由熱電裝置30傳送至流經(jīng)熱交換元件 60的制冷劑的總熱量Q2為焦耳熱加上從流經(jīng)冷端34的傳熱流體中提取的 熱量(從流經(jīng)第二隔室24的氣流中提取的熱量QJ的總和。
蒸汽壓縮回路26包括壓縮機62、冷凝器64、蒸發(fā)器66以及第一膨 脹裝置68和第二膨脹裝置70，連同熱交換元件60。蒸汽壓縮回路26的這 些部件包括在制冷回路72中。作為非限定示例的R134A或R404A的制冷 劑流經(jīng)制冷回路72以及蒸汽壓縮回路26的部件，從而除去來自第一隔室 22和來自熱電模塊28的熱量。所使用的壓縮機62和制冷劑的具體類型可 才艮據(jù)其應用和需求而變化。
壓縮機62將供給冷凝器64的制冷劑壓縮，冷凝器64設置在第一隔室 22的外部。風扇74將周圍的空氣吹過冷凝器64用以從流經(jīng)冷凝器64的 制冷劑中提取熱量Q4，因此流出冷凝器64的制冷劑的溫度低于ii^冷凝 器64的制冷劑的溫度。 一部分制冷劑從冷凝器64流到蒸發(fā)器66，而其余 的制冷劑流到熱交換元件60。第一膨脹裝置68控制流經(jīng)蒸發(fā)器66的制冷 劑的量，而第二膨脹裝置70控制流經(jīng)熱交換元件60的制冷劑的量。膨脹元件68、 70可采用多種形式。作為非限定示例，膨脹裝置68、 70可為熱 力膨脹岡、毛細管、微型閥等。
風扇78使第一隔室22內(nèi)的空氣循環(huán)經(jīng)過蒸發(fā)器66。蒸發(fā)器66從氣 流中提取熱量Q3并將熱量Q3傳送至流經(jīng)蒸發(fā)器66的制冷劑。流出蒸發(fā)器 66的制冷劑的溫度作為非限定示例可為20，。
流經(jīng)熱交換元件60的制冷劑從熱電裝置30中提取熱量Q2，并有助于 將熱電裝置30的熱端36維持在例如20°F的所需的溫度。流經(jīng)熱交換元件 60的制冷劑理想地以與熱端36相同的溫度流出。
流出蒸發(fā)器66和熱交換元件60的制冷劑流回到壓縮機62中。然后制 冷劑流經(jīng)壓縮機62并再次循環(huán)。構(gòu)造、設置并控制蒸發(fā)器66和熱交換元 件60以使它們在近似相同的例如20°F的溫度運行。即，流經(jīng)蒸發(fā)器66 和熱交換元件60的制冷劑以近似相同的溫度流出。因而，膨脹裝置68、 70調(diào)節(jié)經(jīng)過蒸發(fā)器66和熱交換元件60的制冷劑的流量，從而符合對蒸發(fā) 器66和熱交換元件60設置的要求。因此，上述設置提供了對于流經(jīng)蒸汽 壓縮回路26的制冷劑的簡單的控制。
第一膨脹裝置和第二膨脹裝置68、 70也可由單個膨脹裝置代替，單個 膨脹裝置可位于回路72的在制冷劑流被分開用以將制冷劑流提供給蒸發(fā) 器66和熱交換元件60之處的上游。此外，膨脹裝置68、 70可按需要而整 體或單獨控制，用以提供流經(jīng)蒸發(fā)器66和熱交換元件60的所需的制冷劑。
現(xiàn)參照圖2，其示出與制冷系統(tǒng)20類似的制冷系統(tǒng)120，但是制冷系 統(tǒng)120包括設計成以例如45。F的較高溫度運行并且不在通常與熱交換元件 160類似的溫度下運行的蒸發(fā)器166。壓力調(diào)節(jié)裝置184可設置在蒸發(fā)器 166下游的在流經(jīng)蒸發(fā)器166的制冷劑與流經(jīng)熱交換元件160的制冷劑匯 合處之前的位置。壓力調(diào)節(jié)裝置184控制蒸發(fā)器166下游附近的制冷劑壓 力。操作壓力調(diào)節(jié)裝置184可產(chǎn)生橫跨蒸發(fā)器166線圏的壓力差，因此允 許蒸發(fā)器166以與熱交換元件60的溫度不同的溫度運行。作為非限定示例， 熱交換元件60可以以20°F運行而蒸發(fā)器166以45°F運行。壓力調(diào)節(jié)裝置 184還可提供大致與流出熱交換元件60的制冷劑壓力類似的下游壓力，而 壓縮機162仍接收處于大致類似溫度和壓力的制冷劑。
總之，蒸汽壓縮回路126包括蒸發(fā)器166以及并行且以不同溫度運行 的熱交換元件160。于是在制冷系統(tǒng)120中，單個壓縮機可適用于多種溫度的負載(熱交換元件160和蒸發(fā)器166 )。
連同熱電裝置或模塊一起使用蒸汽壓縮循環(huán)和傳熱回路29 二者可利 用二者中每一個的長處和優(yōu)點，同時減少與整個為蒸汽壓縮循環(huán)系統(tǒng)或整
個為熱電模塊系統(tǒng)的系統(tǒng)相關聯(lián)的弱點。即，通過利用熱電模塊和傳熱回 路29來提供用于特殊隔室的溫度，可利用較低效率水平(ZT)的熱電模 塊獲得較高效率的制冷系統(tǒng)。例如，在完全依賴熱電模塊的多溫應用系統(tǒng) 中，與當使用在與蒸汽壓縮循環(huán)相結(jié)合的系統(tǒng)中時相比，熱電模塊需要較 高的ZT值。隨著使用蒸汽壓縮循環(huán)，能夠利用較低ZT的熱電模塊，同 時提供具有所需效率的整個系統(tǒng)。此外，這種系統(tǒng)與僅使用熱電模塊的系 統(tǒng)相比更加節(jié)省成本。
因此，與現(xiàn)有系統(tǒng)相比，使用結(jié)合有蒸汽壓縮循環(huán)、熱電模塊和傳熱
回路的系統(tǒng)來提供用于多溫應用的制冷系統(tǒng)是_有利的。此外，與蒸汽壓縮
循環(huán)相比使用熱電模塊是有利的，因為熱電模塊緊湊、為固態(tài)、具有極長
的生命周期、非?？斓捻憫獣r間、無需潤滑并且具有較低的噪聲輸出。而
且，使用熱電模塊作為制冷系統(tǒng)的一部分還可消除一些與使用用于低溫制
冷的特殊類型的壓縮糾目關聯(lián)的真空問題。因此，使用蒸汽壓縮循環(huán)、熱 電模塊和傳熱回路的制冷系統(tǒng)可用于滿足多溫應用的需求。
現(xiàn)參照圖3,制冷系統(tǒng)220用于單溫應用。制冷系統(tǒng)220利用與熱電 模塊228相結(jié)合的蒸汽壓縮回路226以及傳熱回路229來使隔室或制冷空 間(下文中稱為隔室)286維持在所需溫度。作為非限定示例，隔室286 可以是以-25。F運行的低溫隔室，或者可以是-60。F運行的深冷隔室。
制冷系統(tǒng)220對從隔室286除熱進行分級。第一級除熱由傳熱回路229 和熱電模塊228來完成。第二級除熱由與熱電模塊228相結(jié)合的蒸汽壓縮 回路226來完成。傳熱回路229利用流經(jīng)熱交換元件238的傳熱流體，熱 交換元件238與熱電裝置230的冷端234進行熱傳導接觸。流體泵242使 得傳熱流體流經(jīng)傳熱回路229。
通過與熱電裝置230的冷端234的傳熱關系使得離開熱交換元件238 的傳熱流體被冷卻(除去熱量)。冷卻的傳熱流體流經(jīng)泵242并進入熱交換 器244。風扇248使得隔室286中的空氣流過熱交換器244。熱交換器244 從氣流中^R取熱量Q加并將其傳送至流經(jīng)熱交換器244的傳熱流體。然后 傳熱流體流回到熱交換元件238中，在熱交換元件238中由熱電才莫塊228從傳熱流體中提取熱量Q2((1。
通過電源232可以有選擇地為熱電模塊228供應直流電。電流導致熱 電模塊228中的熱電裝置230在冷端234和熱端236之間產(chǎn)生溫度梯度。 溫度梯度促進熱量從流經(jīng)傳熱回路229的傳熱流體傳送至流經(jīng)蒸汽壓縮回 路226的制冷劑中。熱量Q旭從熱交換元件260流至流經(jīng)熱交換元件260 的制冷劑中。熱量Q2。2包括從流經(jīng)熱交換元件238的傳熱流體中提取的熱 量以及在熱電裝置230內(nèi)產(chǎn)生的焦爾熱。
流出熱交換元件260的制冷劑流經(jīng)壓縮機262并繼續(xù)流到冷凝器264。 風扇274提供流過冷凝器264的周圍空氣的氣流用以促i^流經(jīng)冷凝器 264的制冷劑中除去熱量Q2。4。流出冷凝器264的制冷劑流經(jīng)膨脹裝置270 并然后流回到熱交換元件260中。因此，蒸汽壓縮回路226從熱電模塊228
中提取熱量Q202并將熱量Q加4排放到周圍環(huán)境。
使壓縮機262和膨脹裝置270的尺寸滿足熱電模塊228的除熱的需要。 通過調(diào)整由電源232供應到熱電裝置230的電力使得在熱端236和冷端234 之間維持所需的溫度梯度。泵242能夠改變流經(jīng)其中的傳熱流體的流率， 用以從隔室286中除去期望的熱量。
利用該配置，允許制冷系統(tǒng)220的壓縮機262小于單級制冷系統(tǒng)中所 需的壓縮機。此外，通過對除熱的分級，壓縮機262和流經(jīng)其中的制冷劑 與單^:行所需的壓縮機和制冷劑相比可以以較高的溫度運行，從而能夠 使用更多種的壓縮機和/或不同的制冷劑。此外，較高的溫度使得能夠更高 效地利用蒸汽壓縮循環(huán)，同時通過使用熱電模塊228和傳熱回路229仍能 在隔室286內(nèi)取得所需的低溫。在深冷應用中更加顯著地提高了效率，例 如當隔室286維持在如-60。F的低溫時。
分^U^可避免一些與使用單級制冷系統(tǒng)以及滿足其冷卻負荷所需尺寸 的壓縮;M目關聯(lián)的過熱問題。例如，為滿足單級蒸汽壓縮循環(huán)的冷卻負荷， 壓縮機可能需要以較高溫度運轉(zhuǎn)，該溫度可能使得壓縮機燒壞或?qū)е缕渲?的潤滑油失效。通過使用熱電模塊228和傳熱回路229，允許壓縮機262
的尺寸滿足維持相對較高的溫度并滿;M目對低溫的冷卻負荷，從而使用熱
電模塊228和傳熱回路229可避免上述潛在的問題。4吏用較小的壓縮機262 還可提高壓縮機的效率，并因此提高蒸汽壓縮回路226的效率。
現(xiàn)參照圖4，所示的制冷系統(tǒng)220以除霜模式運行，其無需使用電輻射加熱元件或熱氣即可對熱交換器244進行除霜。此外，通過允許提升熱 交換器244的溫度使得該系統(tǒng)能夠快速、高效地進行除霜。
為了對熱交換器244進行除霜，操作蒸汽壓縮回路226使得熱交換元 件260以例如30°F的相對較高的溫度運行。將供應到熱電裝置230的電流 的極性反轉(zhuǎn)，使得正常(冷卻)運行(圖3 )過程中所示的熱端和冷端234、 236反轉(zhuǎn)。利用極性反轉(zhuǎn)，使得熱流Q2。5從熱交換元件260朝向熱交換元 件238移動，并i^流經(jīng)熱交換元件238的傳熱流體中。調(diào)整供應到熱電 裝置30的電力，用以將橫跨熱電裝置230的溫度梯度降至最小。例如，可 調(diào)整電源使得在冷端234和熱端236之間提供10°F的溫度梯度。
器244中'。、;除霜循環(huán)中風扇'248被"1^。 ^k:交換器244 "相^溫暖 的傳熱流體對熱交換器244進行加溫，從而融化或解凍任何在熱交換器244 上積結(jié)的冰。由于不運行風扇248，除霜循環(huán)對儲藏在隔室286中的食物 或產(chǎn)品的溫度影響可降至最小。傳熱流體流出熱交換器244并流回熱交換 元件238中，從而被再次升溫并進一步為熱交換器244除霜。
于是，制冷系統(tǒng)220可以正常模式運行用以使隔室286維持在所需溫 度，并且可以以除霜模式運行用以為與隔室286相關聯(lián)的熱交換器除霜。 該系統(tǒng)有利地結(jié)合使用帶有熱電模塊的蒸汽壓縮循環(huán)以及傳熱回路，從而 在無需電輻射熱或其它熱源來完成除霜^^作的情況下實現(xiàn)兩種運行才莫式。
現(xiàn)參照圖5，其示出與制冷系統(tǒng)20類似的制冷系統(tǒng)320。在制冷系統(tǒng) 320中，沒有用來冷卻第二隔室324的傳熱回路。替代地，熱交換元件338 為鰭片的形式，且風扇348使得第二隔室324內(nèi)的空氣循環(huán)通過熱交換元 件338的鰭片。將從氣流中提取熱量Q則并傳送至熱電裝置330。蒸汽壓 縮回路326包括單獨的中溫蒸發(fā)器390，中溫蒸發(fā)器3卯與熱電裝置330 的熱端336具有傳熱關系。換言之，蒸發(fā)器3卯作為熱電模塊328的熱交 換元件的熱端。
操作電源332來為熱電裝置330提供電流,使得維持橫跨熱電裝置330 的例如AT-45。F的所需的溫度梯度。流經(jīng)熱電裝置330的電流在熱電裝置 330中產(chǎn)生熱量(即，焦爾熱)。因此，由熱電裝置330傳送至流經(jīng)蒸發(fā)器 3卯的制冷劑中的總熱量Q逝為焦耳熱加上從流經(jīng)熱交換元件338的氣流 中提取的熱量Q則的總和。熱電元件330和蒸發(fā)器390之間的傳熱關系使得熱量Qs。2傳送至流經(jīng)蒸發(fā)器3卯的工作流體。蒸發(fā)器390還與通過風扇 378流經(jīng)第一隔室322并循環(huán)的氣流具有傳熱關系。熱量Q3。6從氣流傳送 至流經(jīng)蒸發(fā)器3卯的工作流體從而為第一隔室322調(diào)節(jié)溫度。
熱量Qs。4從流經(jīng)蒸汽壓縮回路326的工作流體傳送至利用風扇374循 環(huán)通過冷凝器364的氣流。于是，在制冷系統(tǒng)320中，熱電模塊328直接 從循環(huán)經(jīng)過第二隔室324的氣流中^^熱量Q謝，并將該熱量傳送至流經(jīng) 與熱端336具有傳熱關系的蒸發(fā)器3卯的工作流體。蒸發(fā)器3卯還用于從 循環(huán)經(jīng)過第一隔室322的空氣中拔:取熱量。
盡管已經(jīng)參照附圖和示例描述了本發(fā)明，但是在不背離本發(fā)明的精神 和范圍的1^上可以做出改動。例如，在流i^H縮機的制冷劑和流出冷凝 器的制冷劑之間可使用吸液式熱交換器(未示出)，用以在液體冷卻端和 蒸汽過熱端之間進行熱量交換。此外，應當理解，在示出的制冷系統(tǒng)中使 用的壓縮機可采用多種類型。例如，該壓縮機可以為內(nèi)驅(qū)動或外驅(qū)動壓縮 機，并且可以包括旋轉(zhuǎn)壓縮機、螺桿式壓縮機、離心式壓縮機、渦旋壓縮 機等。另外，盡管所描述的冷凝器和蒸發(fā)器為線圏單元，但應當理解，能 夠4吏用其它類型的冷凝器和蒸發(fā)器。此外，盡管本發(fā)明的描述是關于某些 特殊溫度，但應當理解，提供的這些溫度僅作為制冷系統(tǒng)性能的非限定性 示例。因此，不同制冷系統(tǒng)內(nèi)的不同部件的溫度可不同于所示的溫度。
而且，應當理解，所示的制冷系統(tǒng)既可用于固定應用也可用于移動應 用。另外，由制冷系統(tǒng)調(diào)節(jié)溫度的隔室可為開式或閉式的隔室或空間。此 外，所示的制冷系統(tǒng)還可用于具有需要維持在相同或不同溫度的多于兩個 的隔室或空間的應用。另外，應當理解，蒸汽壓縮循環(huán)、熱電才莫塊和傳熱 回路的級聯(lián)可與所示相反。即，蒸汽壓縮循環(huán)可用于從較低溫度的隔室中 提取熱量，而熱電模塊和傳熱回路可用于較高溫度隔室的排熱，盡管這樣 可能會無法發(fā)揮本發(fā)明的全部優(yōu)點。此外，應當理解，在熱電裝置的熱端 和冷端上使用的熱交換裝置既可相同又可彼此不同。另外，當單相流體流 經(jīng)其中 一個熱交換裝置而制冷劑流經(jīng)另 一熱交換裝置時，可針對流經(jīng)的特
殊流體對配置進行優(yōu)化。另外，應當理解，此處公開的多種實施方式可以 以與所示出的結(jié)合不同的方式進行結(jié)合。例如，在圖1-4中使用的熱電才莫 塊可以將其冷端上的鰭片與將空氣直接吹向鰭片的風扇相結(jié)合，從而代替 傳熱回路將熱量從其上傳走。另外，熱電才莫塊可設置為與單獨的蒸發(fā)器具 有傳熱關系，而蒸發(fā)器既與熱電才莫塊具有傳熱關系又與流經(jīng)第一隔室的氣流具有傳熱關系。因此，熱電裝置的相對兩端上的熱交換裝置可相同或彼 此不同。因此，本描述實際上僅為示例性描述，并且其變化不應視為背離 本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1. 一種制冷系統(tǒng)，包括熱電裝置，其在第一端和第二端之間形成溫度梯度；能夠壓縮的工作流體，其流經(jīng)與所述熱電裝置的所述第一端具有傳熱關系的制冷回路；傳熱流體，其流經(jīng)與所述熱電裝置的所述第二端具有傳熱關系的傳熱回路；其中從所述能夠壓縮的工作流體和傳熱流體中的其中一種中提取熱量并通過所述熱電裝置將所述熱量傳送至所述能夠壓縮的工作流體和所述傳熱流體中的另一種中。
2. 如權(quán)利要求l所述的制冷系統(tǒng)，在所述制冷回路中還包括壓縮機， 并且其中所述能夠壓縮的工作流體由所述壓縮機壓縮。
3. 如權(quán)利要求2所述的制冷系統(tǒng)，在所述制冷回路中還包括冷凝器和 膨脹裝置，所述冷凝器能夠操作以從所述能夠壓縮的工作流體中提取熱量。
4. 如權(quán)利要求3所述的制冷系統(tǒng)，在所述制冷回路中還包括與第一氣 流具有傳熱關系的蒸發(fā)器，其中所述能夠壓縮的工作流體的第一部分以與 所述蒸發(fā)器具有傳熱關系的方式流動，而所述能夠壓縮的工作流體的第二 部分以與所述熱電裝置的所述第一端具有傳熱關系的方式流動，從而所述 第 一部分和第二部分在所述制冷回路中并行流動。
5. 如權(quán)利要求4所述的制冷系統(tǒng),其中所述膨脹裝置為第一膨脹裝置， 并且在所述制冷回路中還包括第二膨脹裝置，所述第 一膨脹裝置和第二膨 脹裝置調(diào)節(jié)所述能夠壓縮的工作流體的所述第一部分和第二部分的各自 的流量。
6. 如權(quán)利要求4所述的制冷系統(tǒng)，在所述傳熱回路中還包括與第二氣 流具有傳熱關系的熱交換器，從而所述傳熱流體與所述第二氣流以及所述 熱電裝置的所述第二端二者具有傳熱關系。
7. 如權(quán)利要求6所述的制冷系統(tǒng)，還包括第一空間，其維持在第一溫度并且所述第一氣流移動經(jīng)過所述第一空間；第二空間，其維持在與所述第一空間不同的第二溫度并且所述笫二氣 流移動經(jīng)過所述第二空間；其中，所述熱交換器從所述第二氣流提取熱量并將從所述第二氣流提 取的熱量傳送至所述傳熱流體，所述熱電裝置將從所述第二氣流中提取的 熱量從所述傳熱流體傳送至所述能夠壓縮的工作流體的所述第二部分，并 且所述蒸發(fā)器從所述第一氣流提取熱量并將從所述第一氣流中提取的熱 量傳送至所述能夠壓縮的工作流體的所述第一部分。
8. 如權(quán)利要求3所述的制冷系統(tǒng)，在所述傳熱回路中還包括與所述傳 熱流體具有傳熱關系的熱交換器，所述熱交換器能夠操作以在所述傳熱流 體和氣流之間傳熱，其中所述膨脹裝置調(diào)節(jié)所述能夠壓縮的工作流體的流 量。
9. 如權(quán)利要求8所述的制冷系統(tǒng)，還包括維持在預定溫度并且所述氣 流移動經(jīng)過的空間，并且其中所述熱交換器從所述氣流中^1取熱量并將所 述熱量傳送至所述傳熱流體，所述熱電裝置將所述熱量從所述傳熱流體傳 送至所述能夠壓縮的工作流體，并且所述冷凝器將所述熱量傳送至周圍環(huán) 境，從而將所述空間維持在所述的預定溫度。
10. 如權(quán)利要求l所述的制冷系統(tǒng)，其中所述傳熱流體為所述傳熱回 路中的單相流體。
11. 一種制冷系統(tǒng)，包括傳熱回路，其能夠操作以在流經(jīng)其中的傳熱流體和第一制冷空間之間 傳送熱量；蒸汽壓縮回路，其能夠操作以在流經(jīng)其中的制冷劑和氣流之間傳送熱量；熱電裝置，其與所述傳熱回路和所述蒸汽壓縮回路具有傳熱關系，所 述熱電裝置能夠操作以在所述傳熱流體和所述制冷劑之間傳送熱量。
12. 如權(quán)利要求ii所述的制冷系統(tǒng)，其中所述傳熱回路將所述第一制冷空間維持在第一預定溫度，并且所述傳熱回路包括流體泵，其將所述傳熱流體泵送穿過所述傳熱回路；以及熱交換器，其在所述傳熱流體和所述第一制冷空間之間傳送熱量。
13. 如權(quán)利要求12所述的制冷系統(tǒng)，其中所述蒸汽壓縮回路包括 壓縮機，其壓縮所述制冷劑；冷凝器，其在所述制冷劑和所述氣流之間傳送熱量； 膨脹裝置，其調(diào)節(jié)所述制冷劑的流量。
14. 如權(quán)利要求13所述的制冷系統(tǒng)，其中所述蒸汽壓縮回路將第二制 冷空間維持在笫二預定溫度，并且所述蒸汽壓縮回路包括在所述制冷劑和 所述第二制冷空間之間傳送熱量的蒸發(fā)器。
15. 如權(quán)利要求14所述的制冷系統(tǒng)，其中所述制冷劑的不同部分流經(jīng) 所述蒸發(fā)器以及與所述熱電裝置具有傳熱關系，并且在流經(jīng)所述壓縮機之 前重新匯合。
16. 如權(quán)利要求15所述的制冷系統(tǒng)，其中所述蒸汽壓縮回路包括位于 所述蒸發(fā)器下游并產(chǎn)生橫跨所述蒸發(fā)器的壓力差的壓力調(diào)節(jié)裝置。
17. 如權(quán)利要求ll所述的制冷系統(tǒng)，還包括電源，所述電源能夠操作 以選擇性地為所述熱電裝置供應電流。
18. 如權(quán)利要求ll所述的制冷系統(tǒng)，其中所述傳熱流體為所述傳熱回 路中的單相流體。
19. 一種制冷系統(tǒng)，包括熱電裝置，其在第一端和第二端之間具有溫度梯度； 第一氣流，其流經(jīng)第一空間并與所述第一端具有傳熱關系； 能夠壓縮的工作流體，其流經(jīng)制冷回路并與所述第二端具有傳熱關系；其中從所述第 一氣流和所述工作流體中的其中 一種中提取熱量并通 過所述熱電裝置將所述熱量傳送至所述第一氣流和所述工作流體中的另 一種中。
20. 如權(quán)利要求19所述的制冷系統(tǒng)，在所述制冷回路中還包括壓縮機， 并且其中所述工作流體由所述壓縮機壓縮。
21. 如權(quán)利要求20所述的制冷系統(tǒng)，在所述制冷回路中還包括與流經(jīng) 第二空間的第二氣流具有傳熱關系的蒸發(fā)器，所述蒸發(fā)器從所述第二氣流 中拔:取熱量，從而冷卻所述第二空間。
22. 如權(quán)利要求21所述的制冷系統(tǒng)，其中所述熱電裝置的所述第二端 與流經(jīng)所述蒸發(fā)器的所述工作流體具有傳熱關系。
23. 如權(quán)利要求19所述的制冷系統(tǒng)，其中從所述第一氣流中提取熱量 并通過所述熱電裝置將所述熱量傳送至所述工作流體。
24. —種運行具有蒸汽壓縮回路的制冷系統(tǒng)的方法，所述方法包括 在流體和熱電裝置的第一端之間傳送熱量；在流經(jīng)蒸汽壓縮回路的制冷劑和所述熱電裝置的第二端之間傳送熱
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其中所述制冷系統(tǒng)包括傳熱回路，并 且在所述流體和所述第一端之間傳送熱量包括在流經(jīng)所述傳熱回路的傳 熱流體和所述熱電裝置的所述第 一端之間傳送熱量。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，還包括 利用傳熱回路從第 一制冷空間除去熱量； 將所述除去的熱量傳送至所述熱電裝置的冷端； 將所述除去的熱量通過所述熱電裝置的熱端傳送至所述制冷劑。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，還包括利用冷凝器將所述除去的熱量 從所述制冷劑傳送至周圍環(huán)境。
28.如權(quán)利要求26所述的方法，還包括: 利用所述制冷劑從第二制冷空間除去熱量；利用所述蒸汽壓縮回路中的冷凝器將所述從所述第一制冷空間和第 二制冷空間除去的熱量從所述制冷劑傳送至周圍環(huán)境。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，還包括將從所述第 一制冷空間除去的所述熱量傳送至與所述熱電裝置的所 述熱端具有傳熱關系的所述制冷劑的第 一部分；將來自流經(jīng)所述第二制冷空間的氣流的熱量傳送至與蒸發(fā)器具有傳熱關系的所述制冷劑的第二部分；在所述制冷劑流經(jīng)壓縮機之前將所述制冷劑的所述第一部分和第二 部分匯合在一起。
30. 如權(quán)利要求29所述的方法，還包括以大致相同的溫度運行所述熱 電裝置的所述熱端以及所述蒸發(fā)器。
31. 如權(quán)利要求29所述的方法，還包括以不同的溫度運行所述熱電裝 置的所述熱端以及所述蒸發(fā)器。
32. 如權(quán)利要求26所述的方法，其中從所述第一制冷空間除去熱量包括在所述熱交換器內(nèi)將熱量從所述第一制冷空間傳送至所述傳熱流體；以及將熱量從所述傳熱流體傳送至所述熱電裝置的所述冷端。
33. 如權(quán)利要求25所述的方法，還包括為所述熱電裝置供應電流，從而在所述熱電裝置的所述第一端和第二 端之間產(chǎn)生溫度梯度；通過將熱量從所迷傳熱流體傳送至流經(jīng)所述熱電裝置的所述制冷劑 而冷卻第一制冷空間；通過所述熱電裝置將熱量傳送至所述傳熱流體而對所述傳熱回路中 的熱交換器進行除霜。
34. 如權(quán)利要求25所述的方法，還包括將整個傳熱回路中的所述傳熱 流體維持在單相。
35. 如權(quán)利要求24所述的方法，還包括通過循環(huán)經(jīng)過所述第 一制冷空間并且與所述熱電裝置的冷端具有傳熱關系的氣流而從所述第 一制冷空間中除去熱量；通過所述熱電裝置的熱端將所述除去的熱量傳送至所述制冷劑。
36. 如權(quán)利要求35所述的方法，還包括 利用所述制冷劑從第二制冷空間除去熱量；利用所述蒸汽壓縮回路中的冷凝器將從所述第一制冷空間和第二制 冷空間除去的所述熱量從所述制冷劑傳送至周圍環(huán)境。
37. 如權(quán)利要求24所述的方法，還包括通過向所述熱電裝置供應電流 而在所述熱電裝置的所述第一端和第二端之間產(chǎn)生溫度梯度。
38. —種利用制冷系統(tǒng)調(diào)節(jié)空間溫度的方法，所述方法包括循環(huán)用于熱電裝置的第一端的第一吸熱源；循環(huán)用于所述熱電裝置的第二端的第二吸熱源；在所述第一吸熱源和所述第二吸熱源之間傳送熱量從而調(diào)節(jié)所述空 間的溫度。
39. 如權(quán)利要求38所述的方法，還包括為所述熱電裝置供應電流。
40. 如權(quán)利要求39所述的方法，還包括運行蒸汽壓縮回路以形成第一 預定溫度的所述第 一吸熱源。
41. 如權(quán)利要求40所述的方法，還包括調(diào)整所述電流用以在所述熱電 裝置的所述第一端和第二端之間維持預定的溫度梯度。
42. 如權(quán)利要求38所述的方法，其中所述循環(huán)第二吸熱源包括形成用于流經(jīng)所述空間的氣流的第二吸熱源。
43. 如權(quán)利要求38所述的方法，其中所述循環(huán)第二吸熱源包括循環(huán)流 經(jīng)與所述熱電裝置的所述第二端具有傳熱關系的傳熱回路的傳熱流體。
44. 如權(quán)利要求43所述的方法，還包括將所述傳熱回路內(nèi)的所述傳熱 流體維持在單相。
45. —種方法，包括以調(diào)節(jié)空間溫度的冷卻模式iM^行所述制冷系統(tǒng)，所述運行的冷卻模 式包括將熱量從傳熱回路傳送至熱電裝置并傳送至制冷回路；以運行的除霜模式來運行所述制冷系統(tǒng)，所述運行的除霜模式包括通 過所述熱電裝置將熱量傳送至所述傳熱回路并傳送至熱交換器。
46. 如權(quán)利要求45所述的方法，還包括在所述冷卻模式和所述除霜模 式之間轉(zhuǎn)換。
47. 如權(quán)利要求45所述的方法，其中所述運行的冷卻模式包括沿第一 方向向所述熱電裝置供應電流，并且所i^J逸行的除霜模式包括沿與所述笫 一方向相反的第二方向向所述熱電裝置供應電流。
48. 如權(quán)利要求45所述的方法，其中所述運行的冷卻模式包括運行所 述制冷回路用以供應與所述熱電裝置的第一端具有傳熱關系的第一溫度 的制冷劑流，并且所述運行的除霜模式包括運行所述制冷回路用以供應與 所述熱電裝置的所述第 一端具有傳熱關系的第二溫度的所述制冷劑流，所 述第二溫度高于所述第 一溫度。
49. 如權(quán)利要求45所述的方法，其中所述運行的冷卻模式包括維持橫跨所述熱電裝置的第 一溫度差，并且所^行的除霜模式包括維持橫跨所 述熱電裝置的第二溫度差，所述第二溫度差小于所述第 一溫度差。
50.如權(quán)利要求45所述的方法，還包括將所述傳熱回路中的傳熱流體 維持在單相。
全文摘要
用于多溫和單溫應用的制冷系統(tǒng)，其結(jié)合了通過熱電裝置進行熱傳導接觸的制冷回路以及單相流體傳熱回路。蒸汽壓縮循環(huán)提供第一級制冷，并且與傳熱回路相結(jié)合的熱電裝置提供第二級制冷。可通過反轉(zhuǎn)熱電裝置的極性來為制冷系統(tǒng)提供除霜功能。
文檔編號F25D19/00GK101305251SQ200680041922
公開日2008年11月12日 申請日期2006年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月9日
發(fā)明者亨格·M·范, 韋恩·R·沃納 申請人:艾默生環(huán)境優(yōu)化技術(shù)有限公司