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CN102449413A - 超声冷却系统 - Google Patents

超声冷却系统 Download PDF

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CN102449413A
CN102449413A CN2010800229947A CN201080022994A CN102449413A CN 102449413 A CN102449413 A CN 102449413A CN 2010800229947 A CN2010800229947 A CN 2010800229947A CN 201080022994 A CN201080022994 A CN 201080022994A CN 102449413 A CN102449413 A CN 102449413A
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ultrasonic
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汤姆·吉尔达
杰伊·哈曼
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Abstract

一种通过泵送液体操作的超声冷却系统。因为超声冷却系统泵送液体，所以压缩系统不需要使用冷凝器。压缩系统利用压缩波。压缩系统的蒸发器在临界流动状态下操作，在临界流动状态下，蒸发器管中的压力将几乎维持恒定并且然后“突升”或“突跃”至环境压力。

Description

超声冷却系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年3月25日提交的美国临时专利申请No.61/163,438和2009年7月25日提交的美国临时专利申请No.61/228,557的优先权。上述各个申请的公开以引入的方式纳入本文。
技术领域
本发明总体上涉及冷却系统。更具体地，本发明涉及超声冷却系统。
背景技术
在本领域中已知的蒸汽压缩系统通常包括压缩机、冷凝器和蒸发器。这些系统还包括膨胀装置。在现有技术的蒸汽压缩系统中，将气体进行压缩，由此使该气体的温度增加超过环境温度。然后，压缩的气体经过冷凝器并变为液体。然后，使冷凝并液化的气体通过膨胀装置，使其降低压力和相应的温度。然后，使产生的制冷剂在蒸发器中汽化。该蒸汽压缩循环通常对于本领域的技术人员来讲是已知的。
图1图示了在现有技术中可以得到的蒸汽压缩系统100。在图1的现有技术的蒸汽压缩系统100中，压缩机110将气体压缩至(约)238磅/平方英寸(PSI)和190F的温度。然后，冷凝器120将变热并压缩的气体液化至(约)220PSI和117F。然后，由冷凝器(120)液化的气体经过图1的膨胀阀130。通过使液化的气体经过膨胀阀130，压力降低至(约)20PSI。相应的温度降低伴随着压力降低，这在图1中反映为温度降低至(约)34F。由在膨胀阀130处降低压力和温度所产生的制冷剂在蒸发器140处汽化。通过由蒸发器140使制冷剂汽化，产生低温蒸汽，这在图1中图示为具有(约)39F的温度和20PSI的相应压力。
与图1的系统100有关的循环有时被称为蒸汽压缩循环。这种循环通常会产生2.4与3.5之间的性能系数(COP)。如图1中反映的性能系数是蒸发器冷却功率或能力除以压缩机功率。应当指出，图1中反映出的温度和PSI参考值是示例性和图示性的。
如图1中所示的蒸汽压缩系统100通常是有效的。图2图示了如图1中图示的蒸汽压缩系统的性能。图2中图示的COP对应于在(约)90F环境温度情况下的典型的家庭或汽车蒸汽压缩系统——如图1所示。图2中所示的COP还对应于利用固定限流管系统的蒸汽压缩系统。
然而，这种系统100以远低于系统潜力的效率(例如，性能系数)操作。在如图1中图示的传统的蒸汽压缩系统(100)中压缩气体典型地是对于每5千瓦冷却功率得到1.75至2.5千瓦。该交换率并不理想，并且与压力上升与体积流率的乘积直接相关。降低的性能类似地并最终地与压缩机(110)的性能(或对其缺乏)有关。
诸如四氟乙烷(CH2FCF3)的卤代烷制冷剂是通常用作冰箱和汽车空调中的高温制冷剂的惰性气体。四氟乙烷还用于冷却超频计算机。这些惰性制冷剂气体通常被称为R-134气体。R-134气体的体积可以是相应液体的600至1000倍。因此，在本领域中需要一种改进的冷却系统，其可以更加充分地实现系统潜力并且克服与压缩机性能有关的技术障碍。
发明内容
在本发明的第一主张的实施方式中，公开了一种超声冷却系统。该超声冷却系统包括泵和蒸发器，泵维持通过流动路径的循环液流。蒸发器在临界流动状态下操作并产生压缩波。该压缩波激振所维持的流体流而由此改变所维持的流体流的PSI、并且交换引入到循环流体流中的热。
在第一主张的实施方式的具体实施中，泵和蒸发器位于壳体内。该壳体可对应于南瓜的形状。壳体的外表面可以实现强制对流以及实现进一步交换引入到压缩系统中的热。
第一主张的实施方式的泵可以通过利用涡流环来维持循环流体流。该泵可以逐渐地将能量引入到涡流环，使得引入的能量对应于通过耗散而损失的能量。
本发明第二主张的实施方式提出了一种冷却方法。通过第二主张的实施方式的冷却方法，在可压缩流体中形成压缩波。使可压缩液体从高压区域传至低压区域，并且相应的流体的速度大于等于可压缩流体中的声速。已引入到流体流中的热作为可压缩流体的相变的一部分进行交换。
附图说明
图1图示了在现有技术中可得到的蒸汽压缩系统。
图2图示了如图1中图示的蒸汽压缩系统的性能。
图3图示了根据本发明实施方式的示例性超声冷却系统。
图4图示了如图3中图示的超声冷却系统的性能。
图5图示了用于图3的超声冷却系统的操作方法。
具体实施方式
图3图示了根据本发明实施方式的示例性超声冷却系统300。该超声冷却系统300无需在如图1中所示的现有技术的蒸汽压缩系统100中的压缩机(110)处发生的气体压缩。超声冷却系统300通过泵送液体来操作。因为超声冷却系统300泵送液体，所以压缩系统300不需要使用如图1的现有技术的压缩系统100的冷凝器(120)。而是，压缩系统300利用压缩波。压缩系统300的蒸发器在临界流动状态下操作，在临界流动状态下，蒸发器管中的压力将几乎维持恒定并且然后“突升”或“突跃”至环境温度。
图3的超声冷却系统300实现一定程度的效率，因为系统300的泵(320)并不(也无需)以与如图1中所示的现有技术的压缩系统100中的压缩机(110)同样多的功率进行抽取。根据当前公开的本发明实施方式设计的压缩系统可以实现指数级泵送效率。例如，在现有技术的压缩系统(100)对于每5千瓦冷却功率可能需要1.75千瓦至2.5千瓦的情况下，如图3中图示的系统(300)可以利用约500W的泵抽取功率泵送从14.7PSI至120PSI的液体。由于这些效率，系统300可以利用包括水、但不限于水的多种工作流体。
图3的超声冷却系统300包括壳体310。图3的壳体310类似于南瓜。壳体310的具体形状或其它设计是与系统300相对于设施、或联接设备或机器在何处安装或如何安装相关的美学问题。从功能上讲，壳体310包围泵330、蒸发器350以及与其对应的附属设备或流动路径(例如，泵入口340和蒸发器管360)。壳体310还(在内部)维持由系统300使用的冷却液体。
在可替代的实施方式中，壳体310还可以包围辅助热交换器(未图示)。可以排除将辅助热交换器容纳在壳体310和系统300内。在这种实施方式中，可以在冷却过程中通过在壳体310外表面上的强制对流来利用系统300的表面区域——即，壳体310。
泵330可以由马达320提供动力，在图3中，马达320在系统300外部，并且位于壳体310外侧。可替代地，马达320可以容纳在系统300的壳体310内。马达320可以通过具有相应的轴承和密封件的转子驱动轴、或者通过磁感应来驱动图3的泵330，由此不需要进入壳体310。关于马达320以及包括同步、交流(AC)和直流(DC)马达的相应的泵330，可以使用其它马达设计。可以与系统300一起使用的其它电动马达包括：感应马达；有刷DC马达和无刷DC马达；步进马达、线性马达、单极马达和磁阻马达；以及滚珠轴承马达、同极马达、压电马达、超声马达和静电马达。
泵330通过系统300的内部流体流路径形成液体的循环，另外系统300的内部流体流路径容纳于壳体310内。通过利用涡流环，泵330可以使流体在整个系统300中循环。涡流环作为蓄能器操作，由此将加入的能量存储在涡流环中。经由泵330逐渐引入到涡流环的能量致使相应的环形涡流在一定水平上起作用，即：使得通过耗散而损失的能量对应于输入的能量。
泵330还操作成：将由系统300所使用的液体的压力例如从20PSI提升至100PSI或更大。泵入口340将在冷却中所使用的并且否则存留在系统300中(并且容纳在壳体310内)的液体引入到泵330中。在系统300中的该点处，流体温度可以约为95F。
通过入口340引入到泵330的流体经过主流路径到达喷嘴(nozzle)/蒸发器350。蒸发器350引起压力降低(例如，达到约5.5PSI)以及相变——其导致低温。冷却流体还在蒸发器350处“汽化”，由此可以将存留的液体用作冷却剂。例如，液体冷却剂可以是冷却至35F至45F(如图3中图示的，约37F)的水。如上文指出，系统300(具体地，蒸发器350)在临界流动状态下操作，由此允许形成压缩波。在由于蒸发器管360中的流动是在临界状态下而因此使流体“突跃”至约20PSI的情况下，冷却剂流体经由蒸发器管360离开蒸发器350。在系统300的一些实施方式中，喷嘴/蒸发器350和蒸发器管360可以一体地和/或共同地被称为蒸发器。
系统300的冷却剂流体(现已吸收耗散的热)可以在热交换器进行冷却，以便当冷却剂已吸热(在已离开蒸发器350后约90F至100F)时帮助散热。然而，代替实际的热交换器，可以通过强制对流使用系统300的壳体310(如上文指出)来冷却。图4图示了如图3中图示的超声冷却系统的性能。
图5图示了用于图3的超声冷却系统300的操作方法500。在步骤510中，齿轮泵330提升了液体的压力。例如，可将该压力从20PSI提升至超过100PSI。在步骤520中，流体流经喷嘴/蒸发器350。压力降低和相变导致了管中的低温。流体在步骤530中汽化。
临界流率允许压缩波在临界流动状态下形成并得到利用，该临界流率是当可压缩流体从高压区域传至低压区域时(即，临界流动状态)由可压缩流体达到的最大流率。当流体的速度大于等于流体中的声速时产生临界流。在临界流中，通道中的压力将不受出口压力的影响，并且在通道出口处流体将“突跃”至环境条件。在临界流中，流体还将停留在对应于饱和压力的低的压力和温度。在步骤540中，在离开蒸发器管360之后，流体“突跃”至20PSI。可选的步骤550中，可以使用辅助热交换器。辅助冷却还可以通过在系统300壳体310的表面上的对流产生。
尽管上文已经描述了各种实施方式，但应当理解，各实施方式仅是通过示例来表示，而不是限制性的。该说明书并不意于将本发明的范围限制于此处所阐述的具体形式。因此，优选实施方式的广度和范围不应由任何上述示例性实施方式进行限制。应当理解，上面的描述是说明性的，而非限制性的。相反，本说明书意于覆盖如下替代、改型和等同物，即，包括在如所附权利要求限定的本发明的精神和范围内以及由本领域普通技术人员所意识到的替代、改型和等同物。因此，本发明的范围不应参照上面的描述来确定，而是应当参照所附权利要求连同其等同物的全部范围一起来确定。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种超声冷却系统，所述系统包括：
泵，所述泵维持通过流动路径的循环流体流；和
蒸发器，所述蒸发器在临界流动状态下操作并产生压缩波，所述压缩波激振所维持的流体流而由此改变所维持的流体流的压力、并且交换引入到所述循环流体流中的热，并且其中，在所述循环流体流经过所述蒸发器之前没有热加入至所述循环流体流。
2.如权利要求1所述的超声冷却系统，其中，所述泵和蒸发器位于壳体内。
3.如权利要求2所述的超声冷却系统，其中，所述壳体对应于南瓜的形状。
4.如权利要求2所述的超声冷却系统，其中，所述壳体的外表面实现强制对流、并且还交换引入到所述压缩系统中的热。
5.如权利要求1所述的超声冷却系统，其中，所述泵利用具有相应的轴承和密封件的转子驱动轴由马达进行驱动。
6.如权利要求1所述的超声冷却系统，其中，所述泵利用磁感应由马达进行驱动，所述马达无需进入包围所述泵和蒸发器的壳体。
7.如权利要求1所述的超声冷却系统，其中，所述泵由如下马达驱动，所述马达选自包括感应马达、有刷直流马达、无刷直流马达、步进马达、线性马达、单极马达、磁阻马达、滚珠轴承马达、同极马达、压电马达、超声马达和静电马达的组。
8.如权利要求1所述的超声冷却系统，其中，所述泵利用涡流环维持所述循环流体。
9.如权利要求8所述的超声冷却系统，其中，所述泵逐渐地将能量引入到所述涡流环，所述能量对应于通过耗散而损失的能量。
10.如权利要求1所述的超声冷却系统，其中，所述泵将所述循环流体流的压力从约20PSI提升至约100PSI。
11.如权利要求1所述的超声冷却系统，其中，所述泵将所述循环流体流的压力提升至大于100PSI。
12.如权利要求2所述的超声冷却系统，还包括泵入口，所述泵入口将维持于所述壳体内的冷却液体引入到所述泵，并且其中，所述冷却液体是所述循环流体流的一部分。
13.如权利要求12所述的超声冷却系统，其中，所述蒸发器还引起所述冷却液体中的压力降低至约5.5PSI以及相应的相变，所述相变导致所述冷却液体的低温。
14.如权利要求13所述的超声冷却系统，其中，所述冷却液体是水。
15.一种冷却方法，所述方法包括：
通过使可压缩流体从高压区域传至低压区域而在所述可压缩流体中形成压缩波，其中，所述流体的速度大于等于所述可压缩流体中的声速，并且其中，在所述可压缩流体经过蒸发器之前没有热加入至所述可压缩流体；以及
交换在所述可压缩流体的相变过程中引入到所述可压缩流体的流体流中的热。
16.如权利要求15所述的方法，还包括借助于与可压缩流体流接触的一个或多个表面通过对流进行热交换。
17.如权利要求15所述的方法，其中，所述相变对应于所述可压缩流体的压力的改变。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述可压缩液体的流体流内的压力改变发生在约20PSI至约100PSI的范围内。
19.如权利要求17所述的方法，其中，所述可压缩液体的流体流内的压力改变包括超过100PSI的改变。
20.如权利要求17所述的方法，其中，所述可压缩液体的流体流内的压力改变包括小于20PSI的改变。
21.如权利要求1所述的超声冷却系统，其中，所述泵将所述循环流体流的压力从约20PSI提升至约300PSI。
22.如权利要求1所述的超声冷却系统，其中，所述泵将所述循环流体流的压力从约20PSI提升至约500PSI。
23.如权利要求17所述的方法，其中，所述可压缩液体的流体流内的压力改变发生在约20PSI至约300PSI的范围内。
24.如权利要求17所述的方法，其中，所述可压缩液体的流体流内的压力改变发生在约20PSI至约500PSI的范围内。

Claims (20)

1.一种超声冷却系统，所述系统包括：
泵，所述泵维持通过流动路径的循环流体流；和
蒸发器，所述蒸发器在临界流动状态下操作并产生压缩波，所述压缩波激振所维持的流体流而由此改变所维持的流体流的PSI、并且交换引入到所述循环流体流中的热。
2.如权利要求1所述的超声冷却系统，其中，所述泵和蒸发器位于壳体内。
3.如权利要求2所述的超声冷却系统，其中，所述壳体对应于南瓜的形状。
4.如权利要求2所述的超声冷却系统，其中，所述壳体的外表面实现强制对流、并且还交换引入到所述压缩系统中的热。
5.如权利要求1所述的超声冷却系统，其中，所述泵利用具有相应的轴承和密封件的转子驱动轴由马达进行驱动。
6.如权利要求1所述的超声冷却系统，其中，所述泵利用磁感应由马达进行驱动，所述马达无需进入包围所述泵和蒸发器的壳体。
7.如权利要求1所述的超声冷却系统，其中，所述泵由如下马达驱动，所述马达选自包括感应马达、有刷直流马达、无刷直流马达、步进马达、线性马达、单极马达、磁阻马达、滚珠轴承马达、同极马达、压电马达、超声马达和静电马达的组。
8.如权利要求1所述的超声冷却系统，其中，所述泵利用涡流环维持所述循环流体。
9.如权利要求8所述的超声冷却系统，其中，所述泵逐渐地将能量引入到所述涡流环，所述能量对应于通过耗散而损失的能量。
10.如权利要求1所述的超声冷却系统，其中，所述泵将所述循环流体流的压力从约20PSI提升至100PSI。
11.如权利要求1所述的超声冷却系统，其中，所述泵将所述循环流体流的压力提升至大于100PSI。
12.如权利要求2所述的超声冷却系统，还包括泵入口，所述泵入口将维持于所述壳体内的冷却液体引入到所述泵，并且其中，所述冷却液体是所述循环流体流的一部分。
13.如权利要求12所述的超声冷却系统，其中，所述蒸发器还引起所述冷却液体中的压力降低至约5.5PSI以及相应的相变，所述相变导致所述冷却液体的低温。
14.如权利要求13所述的超声冷却系统，其中，所述冷却液体是水。
15.一种冷却方法，所述方法包括：
通过使可压缩液体从高压区域传至低压区域而在所述可压缩流体中形成压缩波，其中，所述流体的速度大于等于所述可压缩流体中的声速；以及
交换在所述可压缩流体的相变过程中引入到所述可压缩流体的流体流中的热。
16.如权利要求15所述的方法，还包括借助于与可压缩流体流接触的一个或多个表面通过对流进行热交换。
17.如权利要求15所述的方法，其中，所述相变对应于所述可压缩流体的压力的改变。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述可压缩液体的流体流内的压力改变发生在约20PSI至100PSI的范围内。
19.如权利要求17所述的方法，其中，所述可压缩液体的流体流内的压力改变包括超过100PSI的改变。
20.如权利要求17所述的方法，其中，所述可压缩液体的流体流内的压力改变包括小于20PSI的改变。
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