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(lǐng)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(yīng)用以及多溫應(yīng)用，單溫應(yīng)用為例如 具有保持在相似溫度的一個(gè)或多個(gè)隔室的冷凍機(jī)或冰箱，而多溫應(yīng)用為例如具有保持在不 同溫度的多個(gè)隔室的冰箱，所述多個(gè)隔室如低溫(冷凍)隔室以及中溫或高溫(新鮮食品 儲(chǔ)藏)隔室。蒸汽壓縮循環(huán)利用壓縮機(jī)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(yīng)用，壓縮機(jī)的尺寸一般根據(jù)低溫隔室的最低運(yùn)行溫度來確定。 于是，壓縮機(jī)的尺寸一般大于實(shí)際需求的尺寸，從而導(dǎo)致效率降低。此外，較大的壓縮機(jī)會(huì) 以較高的內(nèi)部溫度運(yùn)行，從而需要用于壓縮機(jī)內(nèi)的潤滑油的輔助冷卻系統(tǒng)來防止壓縮機(jī)燒 壞?；谏鲜隹紤]，制冷系統(tǒng)可使用多個(gè)壓縮機(jī)以及使用相同或不同的工作流體。但 是，使用多個(gè)壓縮機(jī)和/或多種工作流體，會(huì)增加制冷系統(tǒng)的成本和/或復(fù)雜性，并且無法 提高整體的效率增益。此外，在某些應(yīng)用中，壓縮機(jī)和/或制冷劑的使用受到所要達(dá)到的溫度的限制。例 如，對于開式傳動(dòng)軸的壓縮機(jī)，需利用沿著傳動(dòng)軸的密封將工作流體維持在壓縮機(jī)內(nèi)。當(dāng)在 密封開式傳動(dòng)軸的壓縮機(jī)中采用例如R134A的工作流體時(shí)，在不引起傳動(dòng)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(huì)形成真空，使 得周圍的空氣被吸入壓縮機(jī)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(jī)和/或工作流體。然而，這些其它類型的壓縮機(jī)和/或工作流體可能會(huì)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冰。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(fù)雜性。還可利用來自壓縮機(jī)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(shè)備和控制器，因此增加了制冷系 統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。

發(fā)明內(nèi)容
一種可用來滿足多溫應(yīng)用和單溫應(yīng)用二者的溫度/負(fù)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(gè)或多個(gè)熱電裝置使它們彼此 具有傳熱關(guān)系。該制冷系統(tǒng)可將制冷分級(jí)，其中由蒸汽壓縮回路提供第二級(jí)制冷，并且由與傳熱回路相結(jié)合的熱電裝置提供第一級(jí)制冷。分級(jí)制冷可降低施加在單個(gè)壓縮機(jī)上的負(fù) 荷，從而允許使用更小、更高效的壓縮機(jī)。此外，降低壓縮機(jī)的負(fù)荷允許在使用的壓縮機(jī)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(guān)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(guān)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)行可以有選擇地在冷卻模式和除霜模式之間轉(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(shí)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(lǐng)域。應(yīng)當(dāng)理解，詳細(xì) 的描述和具體的示例只是用于說明的目的，而非意于限制本發(fā)明的范圍。


從詳細(xì)描述和附圖中可以更加全面地理解本發(fā)明，其中圖1為根據(jù)本發(fā)明的制冷系統(tǒng)的示意圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明的制冷系統(tǒng)的示意圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明的制冷系統(tǒng)的示意圖；圖4為圖3所示的制冷系統(tǒng)以除霜模式運(yùn)行的示意圖；以及圖5為根據(jù)本發(fā)明的制冷系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面的描述實(shí)質(zhì)上僅為示例性的描述，決非意于限制本發(fā)明及其應(yīng)用或使用。此 處使用參考標(biāo)記來描述多個(gè)不同的實(shí)施方式。對于類似的元件使用類似的參考標(biāo)記。例如， 如果在某一實(shí)施方式中指定某一元件為10，則在接下來的實(shí)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(guān)系”指允許熱量從一種介質(zhì)傳送至另一介質(zhì)的關(guān) 系，包括對流、傳導(dǎo)和輻射等傳熱。現(xiàn)參照圖1，制冷系統(tǒng)20為多溫系統(tǒng)，其具有設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)用于新鮮食物儲(chǔ)藏的為中溫隔室的第一隔室22以及設(shè)計(jì)用于冷凍食物儲(chǔ)藏的 為低溫隔室的第二隔室對。制冷系統(tǒng)20是一個(gè)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)觀以及傳熱回路四來冷卻隔室22J4并在其中維持所需溫 度。熱電模塊觀和傳熱回路四將第二隔室M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觀的廢熱。蒸汽壓縮回路沈、熱電模塊觀 和傳熱回路四的尺寸設(shè)計(jì)成滿足第一隔室和第二隔室22、24的供熱負(fù)載。熱電模塊觀包括一個(gè)或多個(gè)與熱交換器相結(jié)合的熱電元件或裝置30，用于從流 經(jīng)傳熱回路四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(gè)熱電裝置30供應(yīng)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(gè)熱電裝置30的相對端之間的溫度梯度，其公知為 珀?duì)栙N效應(yīng)(Peltier effect) 0熱電裝置可從不同的供貨商處獲得。例如，內(nèi)華達(dá)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(dǎo)致每個(gè)熱電裝置30具有相對較低溫度端或冷端34以 及相對較高溫度端或熱端36 (在下文中稱作冷端和熱端)。應(yīng)當(dāng)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與傳熱回路四具有傳熱關(guān)系，而熱端 36與蒸汽壓縮回路沈具有傳熱關(guān)系，從而將熱量從傳熱回路四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(guān)系并形成傳熱回路四的一部 分。傳熱回路四包括流體泵42、熱交換器44以及熱電模塊觀(熱電裝置30和熱交換元件 38)。傳熱流體流經(jīng)傳熱回路四的部件從而除去第二隔室M中的熱量。傳熱回路四可為 單相流體回路，使得流經(jīng)其中的傳熱流體在整個(gè)回路中保持為單相。在傳熱回路四中可使 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(jí)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Tyfo ι 商標(biāo)出售的單相流體等。泵42泵送傳熱流體通過傳熱回路四的部件。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(jìn)流經(jīng)傳熱 回路四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(jìn)傳熱。一種可實(shí)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(gè)熱電裝置30的冷端34進(jìn)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 T。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(fēng)扇48使第二隔室M內(nèi)的空氣循環(huán)經(jīng)過蒸發(fā)器44。熱量％從熱負(fù)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M的氣流中提取的熱量A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(jìn)從熱端36除去熱量，熱電模塊觀包括與每個(gè)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M的氣流中提取的熱量移送到流經(jīng) 蒸汽壓縮回路沈的制冷劑中。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(jìn)熱電裝置30的熱端36和流經(jīng)蒸汽壓縮回路沈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(dǎo)表面面積能促進(jìn)二者之間的傳熱。能實(shí)現(xiàn)該目的的 熱交換元件60的一種可能形式包括與每個(gè)熱電裝置30的熱端36進(jìn)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Δ T = 45 T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％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M的氣流中提取的熱量兌)的 總禾口。蒸汽壓縮回路沈包括壓縮機(jī)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。蒸汽壓縮回路沈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以及蒸汽壓縮回路沈的部件， 從而除去來自第一隔室22和來自熱電模塊觀的熱量。所使用的壓縮機(jī)62和制冷劑的具 體類型可根據(jù)其應(yīng)用和需求而變化。壓縮機(jī)62將供給冷凝器64的制冷劑壓縮，冷凝器64設(shè)置在第一隔室22的外部。 風(fēng)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仏，因此流 出冷凝器64的制冷劑的溫度低于進(jìn)入冷凝器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可為熱力膨脹閥、毛細(xì)管、微型閥等。風(fēng)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A并將熱量A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下。流經(jīng)熱交換元件60的制冷劑從熱電裝置30中提取熱量％，并有助于將熱電裝置 30的熱端36維持在例如20 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(jī)62中。然后制冷劑流經(jīng) 壓縮機(jī)62并再次循環(huán)。構(gòu)造、設(shè)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 T的溫度運(yùn)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(shè)置的要求。因此，上述設(shè)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(gè)膨脹裝置代替，單個(gè)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(dú)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(shè) 計(jì)成以例如45 較高溫度運(yùn)行并且不在通常與熱交換元件160類似的溫度下運(yùn)行的蒸 發(fā)器166。壓力調(diào)節(jié)裝置184可設(shè)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線圈的壓力差，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(yùn)行。作為非限定示例，熱交換元件60 可以以20 °F運(yùn)行而蒸發(fā)器166以45下運(yùn)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(jī)162仍接收處于大致類似溫度和壓力的 制冷劑?？傊羝麎嚎s回路1 包括蒸發(fā)器166以及并行且以不同溫度運(yùn)行的熱交換元 件160。于是在制冷系統(tǒng)120中，單個(gè)壓縮機(jī)可適用于多種溫度的負(fù)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)和傳熱回路四二者可利用二者中每 一個(gè)的長處和優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)減少與整個(gè)為蒸汽壓縮循環(huán)系統(tǒng)或整個(gè)為熱電模塊系統(tǒng)的系統(tǒng)相 關(guān)聯(lián)的弱點(diǎn)。即，通過利用熱電模塊和傳熱回路四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(yīng)用系統(tǒng)中，與當(dāng)使用在與蒸汽壓縮循環(huán)相結(jié)合的系統(tǒng)中時(shí)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(shí)提供具有所需效率的整個(gè) 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(yīng)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?yàn)闊犭娔K緊湊、為固態(tài)、具有極長的生命周期、非?？斓捻憫?yīng)時(shí)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機(jī)相關(guān)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(yīng)用的需求。現(xiàn)參照圖3，制冷系統(tǒng)220用于單溫應(yīng)用。制冷系統(tǒng)220利用與熱電模塊2 相 結(jié)合的蒸汽壓縮回路226以及傳熱回路2 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下運(yùn)行的低溫隔室，或者可以 是-60°F運(yùn)行的深冷隔室。制冷系統(tǒng)220對從隔室286除熱進(jìn)行分級(jí)。第一級(jí)除熱由傳熱回路2 和熱電模 塊2 來完成。第二級(jí)除熱由與熱電模塊2 相結(jié)合的蒸汽壓縮回路2 來完成。傳熱回 路2 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(jìn)行熱傳導(dǎo)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(guān)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(jìn)入熱交換器對4。風(fēng)扇248使得隔 室觀6中的空氣流過熱交換器M4。熱交換器244從氣流中提取熱量Atll并將其傳送至流 經(jīng)熱交換器M4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 中由熱電模塊2 從傳熱流體中提取熱量Q2(ll。通過電源232可以有選擇地為熱電模塊2 供應(yīng)直流電。電流導(dǎo)致熱電模塊2 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(jìn)熱量從流經(jīng)傳 熱回路2 的傳熱流體傳送至流經(jīng)蒸汽壓縮回路2 的制冷劑中。熱量Atl2從熱交換元件 260流至流經(jīng)熱交換元件沈0的制冷劑中。熱量Atl2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?fàn)枱?。流出熱交換元件沈0的制冷劑流經(jīng)壓縮機(jī)262并繼續(xù)流到冷凝器沈4。風(fēng)扇274 提供流過冷凝器沈4的周圍空氣的氣流用以促進(jìn)從流經(jīng)冷凝器沈4的制冷劑中除去熱量 Q2040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沈0中。因此， 蒸汽壓縮回路2 從熱電模塊2 中提取熱量Atl2并將熱量Q204排放到周圍環(huán)境。使壓縮機(jī)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(yīng)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，用以從隔室觀6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(jī)262小于單級(jí)制冷系統(tǒng)中所需的壓縮機(jī)。 此外，通過對除熱的分級(jí)，壓縮機(jī)262和流經(jīng)其中的制冷劑與單級(jí)運(yùn)行所需的壓縮機(jī)和制 冷劑相比可以以較高的溫度運(yùn)行，從而能夠使用更多種的壓縮機(jī)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(shí)通過使用熱電模塊2 和傳熱 回路2 仍能在隔室觀6內(nèi)取得所需的低溫。在深冷應(yīng)用中更加顯著地提高了效率，例如 當(dāng)隔室286維持在如-60 T的低溫時(shí)。分級(jí)還可避免一些與使用單級(jí)制冷系統(tǒng)以及滿足其冷卻負(fù)荷所需尺寸的壓縮機(jī) 相關(guān)聯(lián)的過熱問題。例如，為滿足單級(jí)蒸汽壓縮循環(huán)的冷卻負(fù)荷，壓縮機(jī)可能需要以較高溫 度運(yùn)轉(zhuǎn)，該溫度可能使得壓縮機(jī)燒壞或?qū)е缕渲械臐櫥褪?。通過使用熱電模塊2 和 傳熱回路229，允許壓縮機(jī)沈2的尺寸滿足維持相對較高的溫度并滿足相對低溫的冷卻負(fù) 荷，從而使用熱電模塊2 和傳熱回路2 可避免上述潛在的問題。使用較小的壓縮機(jī)262 還可提高壓縮機(jī)的效率，并因此提高蒸汽壓縮回路226的效率?，F(xiàn)參照圖4，所示的制冷系統(tǒng)220以除霜模式運(yùn)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(jìn)行除霜。此外，通過允許提升熱交換器對4的溫度使得該系統(tǒng) 能夠快速、高效地進(jìn)行除霜。為了對熱交換器244進(jìn)行除霜，操作蒸汽壓縮回路2 使得熱交換元件沈0以例 如30下的相對較高的溫度運(yùn)行。將供應(yīng)到熱電裝置230的電流的極性反轉(zhuǎn)，使得正常(冷 卻)運(yùn)行(圖幻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Aci5從 熱交換元件260朝向熱交換元件238移動(dòng)，并進(jìn)入流經(jīng)熱交換元件238的傳熱流體中。調(diào) 整供應(yīng)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 T的溫度梯度。流出熱交換元件238的加熱的傳熱流體流經(jīng)流體泵242并流入熱交換器M4中。 在除霜循環(huán)中風(fēng)扇248被關(guān)閉。流經(jīng)熱交換器244的相對溫暖的傳熱流體對熱交換器244 進(jìn)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(yùn)行風(fēng)扇M8，除霜循 環(huán)對儲(chǔ)藏在隔室觀6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?zé)峤粨Q元件238中，從而被再次升溫并進(jìn)一步為熱交換器M4除霜。 于是，制冷系統(tǒng)220可以正常模式運(yùn)行用以使隔室286維持在所需溫度，并且可以 以除霜模式運(yùn)行用以為與隔室286相關(guān)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操作的 情況下實(shí)現(xiàn)兩種運(yùn)行模式?，F(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(fēng)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Q3tll并傳 送至熱電裝置330。蒸汽壓縮回路3 包括單獨(dú)的中溫蒸發(fā)器390，中溫蒸發(fā)器390與熱電 裝置330的熱端336具有傳熱關(guān)系。換言之，蒸發(fā)器390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Δ T =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390的制冷劑中的總熱量Q3tl2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Q3tll的總和。熱電元件330和蒸發(fā)器390之 間的傳熱關(guān)系使得熱量Q3tl2傳送至流經(jīng)蒸發(fā)器390的工作流體。蒸發(fā)器390還與通過風(fēng)扇 378流經(jīng)第一隔室322并循環(huán)的氣流具有傳熱關(guān)系。熱量Q3tl6從氣流傳送至流經(jīng)蒸發(fā)器390 的工作流體從而為第一隔室322調(diào)節(jié)溫度。熱量Q3tl4從流經(jīng)蒸汽壓縮回路3 的工作流體傳送至利用風(fēng)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3 直接從循環(huán)經(jīng)過第二隔室324的氣 流中提取熱量Acu，并將該熱量傳送至流經(jīng)與熱端336具有傳熱關(guān)系的蒸發(fā)器390的工作流 體。蒸發(fā)器390還用于從循環(huán)經(jīng)過第一隔室322的空氣中提取熱量。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)明的精神和范圍的基 礎(chǔ)上可以做出改動(dòng)。例如，在流進(jìn)壓縮機(jī)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(jìn)行熱量交換。此外，應(yīng)當(dāng)理 解，在示出的制冷系統(tǒng)中使用的壓縮機(jī)可采用多種類型。例如，該壓縮機(jī)可以為內(nèi)驅(qū)動(dòng)或外 驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，并且可以包括旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)、螺桿式壓縮機(jī)、離心式壓縮機(jī)、渦旋壓縮機(jī)等。另 外，盡管所描述的冷凝器和蒸發(fā)器為線圈單元，但應(yīng)當(dāng)理解，能夠使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(guān)于某些特殊溫度，但應(yīng)當(dāng)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(yīng)當(dāng)理解，所示的制冷系統(tǒng)既可用于固定應(yīng)用也可用于移動(dòng)應(yīng)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(gè)的隔室或空間的應(yīng)用。另外，應(yīng)當(dāng)理解，蒸汽壓 縮循環(huán)、熱電模塊和傳熱回路的級(jí)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(huì)無 法發(fā)揮本發(fā)明的全部優(yōu)點(diǎn)。此外，應(yīng)當(dāng)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(dāng)單相流體流經(jīng)其中一個(gè)熱交換裝置而制冷劑流經(jīng)另一熱 交換裝置時(shí)，可針對流經(jīng)的特殊流體對配置進(jìn)行優(yōu)化。另外，應(yīng)當(dāng)理解，此處公開的多種實(shí) 施方式可以以與所示出的結(jié)合不同的方式進(jìn)行結(jié)合。例如，在圖1-4中使用的熱電模塊可 以將其冷端上的鰭片與將空氣直接吹向鰭片的風(fēng)扇相結(jié)合，從而代替?zhèn)鳠峄芈穼崃繌钠?上傳走。另外，熱電模塊可設(shè)置為與單獨(dú)的蒸發(fā)器具有傳熱關(guān)系，而蒸發(fā)器既與熱電模塊具有傳熱關(guān)系又與流經(jīng)第一隔室的氣流具有傳熱關(guān)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(shí)際上僅為示例性描述，并且其變化不應(yīng)視為背離 本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種方法，所述方法包括在流體與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與所述熱電裝置的第二端之間傳送熱量； 通過使流經(jīng)第一制冷空間并與所述熱電裝置的冷端具有傳熱關(guān)系的氣流循環(huán)來從所 述第一制冷空間除去熱量；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； 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。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括通過向所述熱電裝置供應(yīng)電流而在所述熱電裝置的所述第一端與第二端之間產(chǎn)生溫 度梯度。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述第一端具有第一溫度，所述第二端具有第二溫 度，且所述第一溫度低于所述第二溫度。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，使經(jīng)過所述第一制冷空間并與所述熱電裝置的冷 端具有傳熱關(guān)系的氣流循環(huán)包括使所述氣流沿與至少一個(gè)傳熱鰭片直接接觸的方向循環(huán)， 所述至少一個(gè)傳熱鰭片與所述熱電裝置的所述冷端具有傳熱關(guān)系。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，將所述除去的熱量傳送至所述制冷劑包括將所述 除去的熱量從所述熱電裝置的所述熱端傳送至蒸發(fā)器中的所述制冷劑，并且，從所述第二 制冷空間除去熱量包括將所述熱量從所述第二制冷空間傳送至所述蒸發(fā)器中的所述制冷 劑。
6.一種利用制冷系統(tǒng)調(diào)節(jié)空間溫度的方法，所述方法包括 運(yùn)行蒸汽壓縮回路作為用于熱電裝置第一端的第一吸熱源；使流經(jīng)與熱電裝置的第二端具有傳熱關(guān)系的傳熱回路的傳熱流體循環(huán)； 將熱量從所述空間中的氣流傳送至所述傳熱流體； 在所述第一吸熱源與所述第二吸熱源之間傳送熱量從而調(diào)節(jié)空間溫度， 其中，所述在所述第一吸熱源與第二吸熱源之間傳送熱量包括將熱量通過所述熱電裝 置從所述傳熱流體傳送至流經(jīng)所述蒸汽壓縮回路的可壓縮流體。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，還包括向所述熱電裝置供應(yīng)電流。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，還包括調(diào)整所述電流以在所述熱電裝置的所述第一端與 第二端之間維持預(yù)定的溫度梯度。
9.如權(quán)利要求6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。
10.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述傳送熱量包括將所述空間維持于預(yù)定的溫度。
11.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，從所述氣流傳送熱量包括使所述氣流循環(huán)橫跨熱 交換器，所述傳熱流體流經(jīng)所述熱交換器。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，從所述氣流傳送熱量包括利用流體運(yùn)動(dòng)裝置引 入所述氣流。
13.一種制冷系統(tǒng)，包括熱電裝置，其在第一端與第二端之間形成溫度梯度；蒸汽壓縮回路，其形成與所述熱電裝置的所述第一端具有傳熱關(guān)系的第一吸熱源；以及與所述熱電裝置的所述第二端具有傳熱關(guān)系的第二吸熱源，所述第二吸熱源包括傳熱 流體，所述傳熱流體流經(jīng)與所述熱電裝置的所述第二端具有傳熱關(guān)系的傳熱回路，其中，通過所述熱電裝置而在所述第一吸熱源與所述第二吸熱源之間傳送熱量從而調(diào) 節(jié)空間的溫度，所述傳熱回路包括熱交換器，所述傳熱流體流經(jīng)所述熱交換器，流經(jīng)所述空 間的氣流在所述熱交換器上流動(dòng)，并且，將熱量通過所述熱電裝置從所述氣流傳送至所述 傳熱流體以及傳送至所述第二吸熱源從而調(diào)節(jié)所述空間的溫度。
14.如權(quán)利要求13所述的制冷系統(tǒng)，還包括流體運(yùn)動(dòng)裝置，所述流體運(yùn)動(dòng)裝置使所述 氣流流經(jīng)所述空間。
15.如權(quán)利要求13所述的制冷系統(tǒng)，還包括可調(diào)節(jié)電源，所述可調(diào)節(jié)電源向所述熱電 裝置供應(yīng)可調(diào)節(jié)電流。
16.如權(quán)利要求13所述的制冷系統(tǒng)，其中，所述蒸汽壓縮回路包括與所述熱電裝置的 所述第一端具有傳熱關(guān)系的蒸發(fā)器。
17.一種制冷系統(tǒng)，包括制冷回路；傳熱回路；熱電裝置，所述熱電裝置具有第一端和第二端，所述第一端與所述制冷回路具有傳熱 關(guān)系，所述第二端與所述傳熱回路具有傳熱關(guān)系；以及電流源，所述電流源向所述熱電裝置供應(yīng)可反轉(zhuǎn)電流，其中，當(dāng)所述電流源沿第一方向供應(yīng)電流時(shí)，將熱量從所述傳熱回路傳送至所述熱電 裝置并傳送至所述制冷回路，而當(dāng)所述電流源沿與所述第一方向反向的第二方向供應(yīng)電流 時(shí)，將熱量通過所述熱電裝置傳送至所述傳熱回路。
18.如權(quán)利要求17所述的制冷系統(tǒng)，其中，所述傳熱回路包括熱交換器，當(dāng)所述電流源 沿所述第一方向供應(yīng)電流時(shí)，將熱量從橫跨所述熱交換器流動(dòng)的氣流傳送至所述熱電裝置 并傳送至所述制冷回路。
19.如權(quán)利要求18所述的制冷系統(tǒng)，其中，當(dāng)所述電流源沿所述第二方向供應(yīng)電流時(shí)， 將熱量從所述熱電裝置傳送至所述熱交換器。
20.如權(quán)利要求18所述的制冷系統(tǒng)，其中，橫跨所述熱交換器流動(dòng)的所述氣流流經(jīng)通 過所述傳熱來調(diào)節(jié)溫度的空間。
21.如權(quán)利要求17所述的制冷系統(tǒng)，其中，所述傳熱回路包括傳熱流體，在傳熱期間， 所述傳熱流體流經(jīng)所述傳熱回路。
22.如權(quán)利要求21所述的制冷系統(tǒng)，其中，在傳熱期間，所述傳熱流體維持單相。
23.如權(quán)利要求21所述的制冷系統(tǒng)，其中，所述制冷回路包括可壓縮制冷劑，在傳熱期 間，所述可壓縮制冷劑流經(jīng)所述制冷回路。
24.如權(quán)利要求17所述的制冷系統(tǒng)，其中，所述電流源以這樣的量來供應(yīng)所述電流維 持橫跨所述熱電裝置的預(yù)定溫度差。
25.如權(quán)利要求17所述的制冷系統(tǒng)，其中，所述電流源沿所述第一方向供應(yīng)所述電流并將橫跨所述熱電裝置的溫度差維持在第一值，且所述電流源沿所述第二方向供應(yīng)所述電 流并將橫跨所述熱電裝置的溫度差維持在低于所述第一值的第二值。
26.如權(quán)利要求17所述的制冷系統(tǒng)，其中，當(dāng)所述電流源沿所述第一方向供應(yīng)所述電 流時(shí)，所述制冷回路供應(yīng)與所述熱電裝置的所述第一端具有傳熱關(guān)系的第一溫度的制冷劑 流，并且，當(dāng)所述電流源沿所述第二方向供應(yīng)所述電流時(shí)，所述制冷回路供應(yīng)與所述熱電裝 置的所述第一端具有傳熱關(guān)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。
全文摘要
用于多溫和單溫應(yīng)用的制冷系統(tǒng)，其結(jié)合了通過熱電裝置進(jìn)行熱傳導(dǎo)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(jí)制冷，并且與傳熱回路相結(jié)合的熱電裝置提供第二級(jí)制冷?？赏ㄟ^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(hào)F25B21/02GK102062456SQ20111003522
公開日2011年5月18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