具有内外套筒的机械热台的制作方法

本主题总体上涉及用于器具的机械热热泵。

背景技术：

传统的制冷技术通常利用热泵，该热泵依赖于液体制冷剂的压缩和膨胀从而以循环的方式接收和排出热量，以便实现期望的温度变化或将热能从一个位置传递到另一个位置。这种循环可用于从冷藏隔室接收热量并将此类热量排到环境或在该隔室外部的位置。其他应用包含住宅或商业建筑的空气调节。已经开发出可以在此类系统中与热泵一起使用的各种不同的液体制冷剂。

尽管已经对依赖于液体制冷剂的压缩的此类热泵系统进行了改进，但充其量仍只能以最大理论卡诺循环效率的约百分之四十五或更少来进行操作。而且，由于对环境的关注，一些液体制冷剂已经停止使用。对于某些位置，某些基于制冷剂的系统可以进行操作的环境温度范围可能不切实际。使用液体制冷剂的热泵也面临其他挑战。

机械热材料(mecm)(例如表现出弹性热或压力热效应的材料)为热泵应用提供了流体制冷剂的潜在替代物。总的来说，mecm响应于应变的变化而表现出温度的变化。基于mecm的制冷循环的理论卡诺循环效率可以显著高于基于流体制冷剂的类似的制冷循环。因此，能够有效利用mecm的热泵系统将是有用的。

然而，mecm的实际使用和成本竞争存在挑战。除了开发合适的mecm，还需要能够吸引人地利用mecm的装备。目前提出的装备可能需要相对较大且昂贵的机械系统，可能不适合用于例如器具制冷，并且可能不能以足够的效率运行以证明资本成本是合理的。

因此，可以解决诸如上述确定的某些挑战的热泵系统将是有用的。也可以在冰箱器具中使用的此类热泵系统将同样是有用的。

技术实现要素：

本发明的方面和优点将在以下描述中部分阐述，或者可以从描述中变得显而易见，或者可以通过本发明的实践来了解。

在第一示例性实施例中，机械热台包含细长外套筒。细长内套筒设置在细长外套筒内。一对活塞容纳在细长内套筒内。该对活塞中的每个都定位在细长内套筒的相应端。该对活塞可相对于细长内套筒移动。机械热材料设置在该对活塞之间的细长内套筒内。机械热材料可在该对活塞之间压缩。

在第二示例性实施例中，机械热台包含金属细长外套筒。塑料细长内套筒设置在金属细长外套筒内。一对活塞容纳在塑料细长内套筒内。该对活塞中的每个都定位在塑料细长内套筒的相应端。该对活塞可相对于塑料细长内套筒移动。机械热材料设置在该对活塞之间的塑料细长内套筒内。机械热材料可在该对活塞之间压缩。机械热材料可抵靠细长内套筒滑动。细长外套筒限定一对端口。该对端口中的每个端口定位在细长外套筒的相应端。机械热材料限定沿机械热材料的长度延伸穿过机械热材料的通道。该对活塞中的每个都限定通路，该通路与机械热材料的通道和该对端口中的相应一个相连。

参照下面的描述和所附权利要求，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解。结合在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。

附图说明

参照附图，在说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的完整并且能够实现的公开，包含其最佳模式。

图1是根据本主题的示例性实施例的冰箱器具的正视图。

图2是图1的示例性冰箱器具的热泵系统的示意图。

图3和图4是根据本主题的示例性实施例的机械热热泵的示意图。

图5和图6是根据本主题的另一个示例性实施例的机械热热泵的示意图。

图7和图8是根据本主题的附加的示例性实施例的机械热热泵的示意图。

图9是根据本主题的示例性实施例的机械热台的剖视图。

图10是根据本主题的另一个示例性实施例的机械热台的剖视图。

图11至图14是根据本主题的各种示例性实施例的机械热台的剖视图。

具体实施方式

现在将详细参照本发明的实施例，其一或多个示例在附图中示出。每个示例是通过解释本发明的方式提供的，并不是对本发明的限制。实际上，对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和变型。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用，以产生又一个实施例。因此，本发明旨在覆盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

现在参照图1，冰箱器具10的示例性实施例被描绘为具有箱体或外壳12的立式冰箱，该箱体或外壳限定多个内部储存隔室或冷藏室。具体地，冰箱器具10包含具有门16的上部新鲜食品隔室14和具有上部抽屉20和下部抽屉22的下部冷冻隔室18。抽屉20、22是“拉出式”抽屉，因为它们可以通过合适的滑动机构手动移入和移出冷冻隔室18。

冰箱10仅作为示例提供。也可以使用冰箱器具的其他配置，包含具有仅冷冻隔室、仅冷却隔室或与图1所示不同的它们的其他组合的器具。此外，本发明的热泵和热泵系统不限于器具，也可用于其他应用，诸如例如空调、电子冷却装置等。进一步，应当理解，虽然本文通过示例的方式提供了在冰箱内提供冷却的热泵的使用，但是本发明也可以用于提供加热应用。

图2是冰箱器具10的示意图。从图2中可以看出，冰箱器具10包含冷藏隔室30和机械隔室40。机械隔室30包含热泵系统52，该热泵系统具有定位在冷藏隔室30中的用于从其中移除热量的第一热交换器32。在第一热交换器32内流动的传热流体(诸如水溶液)从冷藏隔室30接收热量，从而冷却冷藏隔室30的内容物。风扇38可用于提供穿过第一热交换器32的空气流，以提高来自冷藏隔室30的热传递速率。

传热流体通过管线44流出第一热交换器32，到达热泵100。如本文将进一步描述的，传热流体从热泵100中的热材料接收附加的热量，并通过管线48将这一热量传送到泵42，然后传送到第二热交换器34。通过使用第二热交换器34将热量释放到环境、机械隔室40和/或冷藏隔室30外部的其他位置。风扇36可用于形成穿过第二热交换器34的空气流，从而提高热传递到环境的速率。连接到管线48中的泵42使得传热流体在热泵系统52中再循环。如将进一步描述的，马达28与热泵100机械连通。

传热流体通过管线50从第二热交换器34返回到热泵100，如下文将进一步描述的，在热泵100中，传热流体将散热给热材料。现在较冷的传热流体通过管线46流到第一热交换器32，以从冷藏隔室30接收热量，并重复刚刚描述的循环。

热泵系统52仅作为示例提供。也可以使用热泵系统52的其他配置。例如，管线44、46、48和50提供了热泵系统52的各个部件之间的流体连通，但是也可以采用具有不同管线和连接件的其他传热流体再循环回路。例如，泵42也可以定位在系统52中的其他位置或其他管线上。也可以使用热泵系统52的另外其他配置。例如，热泵系统52可以配置为使得热泵100中的热材料直接冷却流经冷藏隔室30的空气，并直接加热冷藏隔室30外部的空气。因此，在某些示例性实施例中，系统52不需要包含液体工作流体。

图3和图4是根据本主题的示例性实施例的机械热热泵300的示意图。机械热热泵300可以在系统52中用作热泵100，例如，使得系统52是机械热热泵系统。在可替代示例性实施例中，机械热热泵300可用于任何其他合适的热泵系统。如下文更详细讨论的，机械热热泵300包含经由一个或多个细长杠杆臂320的枢转对一个或多个机械热台310、312施压的特征。细长杠杆臂320可以向机械热台310、312施加已知的力或压力，并且细长杠杆臂320的弹性变形可以允许细长杠杆臂320经由细长杠杆臂320的相对的第二端相对于细长杠杆臂320的第一端的位移的大位移向细长杠杆臂320的第一端处的机械热台310、312转换大的力或压力。

从图3和图4中可以看出，并且如上所讨论，机械热热泵300包含机械热台310、312和细长杠杆臂320。细长杠杆臂320可以包含第一细长杠杆臂322和第二细长杠杆臂324。第一细长杠杆臂322在第一端部326和第二端部327之间延伸，例如，沿第一细长杠杆臂322的长度延伸。第一细长杠杆臂322可绕第一点330枢转。例如，第一细长杠杆臂322可以在第一点330处安装到轴上。

第一细长杠杆臂322的第一端部326和第一点330之间的距离d1小于第一细长杠杆臂322的第二端部327和第一点330之间的距离d2。因此，第一细长杠杆臂322可绕第一点330枢转，以提供合适的机械优势。作为示例，距离d1可以不大于距离d2的一半(1/2)。作为另一个示例，距离d1可以不大于距离d2的四分之一(1/4)。从上面可以看出，经由距离d1、d2的适当选择，施加在第一细长杠杆臂322的第二端部327的力在第一细长杠杆臂322的第一端部326处被放大。

第二细长杠杆臂324也在第一端部328和第二端部329之间延伸，例如，沿第二细长杠杆臂324的长度延伸。第二细长杠杆臂324可绕第二点340枢转。例如，第二细长杠杆臂324可以在第二点332处安装到轴上。第二点332与第一点330间隔开。第二细长杠杆臂324的第一端部328和第二点332之间的距离d3小于第二细长杠杆臂324的第二端部329和第二点332之间的距离d4。距离d3、d4可以以与上述距离d1、d2相同或类似的方式选择，以便提供合适的机械优势。

机械热热泵300还包含马达340(诸如马达28)，该马达可操作以旋转凸轮342。第一细长杠杆臂322在第一细长杠杆臂322的第二端部327附近耦合到凸轮342。作为示例，第一细长杠杆臂322的第二端部327上的辊子334可以接触并骑在凸轮342上。作为另一个示例，第一细长杠杆臂322的第二端部327可以直接连接到凸轮342，例如，经由轴。第二细长杠杆臂324在第二细长杠杆臂324的第二端部329附近耦合到凸轮342。作为示例，第二细长杠杆臂324的第二端部329上的辊子336可以接触并骑在凸轮342上。作为另一个示例，第二细长杠杆臂324的第二端部329可以直接连接到凸轮342，例如，经由轴。由于第一细长杠杆臂322和第二细长杠杆臂324的耦合，当马达340旋转凸轮342时，马达340可操作以使第一细长杠杆臂322绕第一点330枢转，并使第二细长杠杆臂324绕第二点332枢转。

第一细长杠杆臂322和第二细长杠杆臂324还耦合到机械热台310、312。例如，第一细长杠杆臂322在第一细长杠杆臂322的第一端部326附近耦合到机械热台310，并且第二细长杠杆臂324在第二细长杠杆臂324的第一端部328附近耦合到机械热台312。因此，当马达340旋转凸轮342时，马达340可操作以经由第一细长杠杆臂322和第二细长杠杆臂324的枢转来对机械热台310、312施压和/或使其变形。具体地，当第一细长杠杆臂322和第二细长杠杆臂324在第一点330和第二点332上枢转时，第一细长杠杆臂322和第二细长杠杆臂324弹性变形，例如，使得第一细长杠杆臂322和第二细长杠杆臂324在机械热台310、312上施加弹性力或弹力。当细长杠杆臂320在第一点330和第二点332上枢转时，细长杠杆臂320的第一端部326、328的相对大的平移可以导致细长杠杆臂320的第二端部327、329的相对小的平移，并且因此当马达340旋转凸轮342时，将大的力或压力平移到机械热台310、312上。从上面可以看出，细长杠杆臂320的弹性变形和杠杆作用可以将细长杠杆臂320的一端的大位移转化为细长杠杆臂320相对端位移非常小的大力。

凸轮342可通过马达340绕轴线旋转。在图3和图4中，凸轮342安装在轴344上，轴344可由马达340绕轴线旋转。在图3和图4所示的视图中，轴线延伸到页面中和页面之外。凸轮342可以具有圆形的外部轮廓(例如，在垂直于轴线的平面中)，并且轴344可以远离凸轮342的中心安装到凸轮342上。在可替代的示例性实施例中，如图5和图6中所示，凸轮342可以具有非圆形的外部轮廓(例如在垂直于轴线的平面中)，诸如椭圆形的外部轮廓，并且轴344可以在凸轮342的中心处安装到凸轮342上。辊子334、336可以接触并骑在凸轮342的外部轮廓上。如图3至图6中所示，第一细长杠杆臂322的第二端部327还可以定位成与凸轮342上第二细长杠杆臂324的第二端部329相对。可替代地，第一细长杠杆臂322的第二端部327可以定位在凸轮342的与第二细长杠杆臂324的第二端部329相同的一侧，如图7和图8所示。

机械热热泵300还可以包含流体泵346(诸如泵42)，该流体泵耦合到马达340。因此，在某些示例性实施例中，马达340可以驱动凸轮342和泵346两者。在某些示例性实施例中，泵346可以经由轴344耦合到马达340。泵346配置为使传热流体流过机械热台310、312、热交换器32、34等，如下文更详细讨论的。泵346可以使传热流体连续流过机械热台310、312。可替代地，泵346可以例如以周期性的方式使传热流体通过机械热台310、312正向排出。

在图7和图8中，机械热热泵300包含细长机械热台350，而不是两个机械热台310、312。细长机械热台350在第一端部352和第二端部354之间延伸，例如，沿细长机械热台350的长度延伸。第一细长杠杆臂322可在细长机械热台350的第一端部352附近耦合到细长机械热台350，并且第二细长杠杆臂324可在细长机械热台350的第二端部354附近耦合到细长机械热台350。细长机械热台350可以被压缩在第一细长杠杆臂322和第二细长杠杆臂324的第二端部327、329之间。

机械热台310、312、350中的一个或多个可以包含机械热材料，诸如弹性热材料、压力热材料等。机械热材料可以由单一的机械热材料构成，或者可以包含多种不同的机械热材料，例如，级联布置。作为示例，冰箱器具10可用于环境温度在相当大的范围内变化的应用中。然而，特定的机械热材料可能仅在窄得多的温度范围内表现出机械热效应。因此，可能希望在机械热台310、312、350内使用多种机械热材料，以适应冰箱器具10和/或相关联的机械热热泵可以使用的宽范围的环境温度。

如上所述，机械热台310、312、350包含表现出机械热效应的机械热材料。在机械热台310、312、350的变形期间中，机械热台310、312、350中的机械热材料在高应变状态和低应变状态之间连续受力和松弛。高应变状态可以对应于当机械热材料处于压缩状态并且机械热材料相对于机械热材料的正常长度缩短时。相反，低应变状态可以对应于当机械热材料不处于压缩状态并且机械热材料相对于机械热材料的正常长度未被压缩时。

当机械热台310、312、350中的机械热材料被压缩到高应变状态时，该变形导致机械热材料内可逆的相变和温度的升高(或者降低)，使得机械热材料向传热流体排热。相反，当机械热材料松弛到低应变状态时，该变形导致机械热材料内可逆的相变和温度的降低(或者升高)，使得机械热材料从传热流体接收热量。通过在高应变状态和低应变状态之间转换，机械热台310、312、350可以通过利用机械热台310、312、350中的机械热材料的机械热效应来传递热能。

图3至图6是机械热热泵300运行期间机械热台310、312的示意图。在图3中，第一台310处于低应变状态，第二台312处于高应变状态。相反，在图4中，第一台310处于高应变状态，第二台312处于低应变状态。第一台310和第二台312在图5中处于高应变状态，在图6中处于低应变状态。第一台310和第二台312可以在高应变状态和低应变状态之间变形0.5％。马达340可操作以经由细长杠杆臂320使台310、312在图3至图6中所示的配置之间变形，从而传递热能。

作为示例，工作流体可以流动通过或到达台310、312。具体地，参照图2和图3，当第二台312处于高应变状态时，来自第一热交换器32的热工作流体(标记为qc-in)可以经由管线44进入第二台312，并且当台312中的机械热材料被压缩并在应变下排热时，工作流体从第二台312中的机械热材料接收附加的热量。现在更热的工作流体(标记为qh-out)然后可以经由管线48离开第二台312，并流到第二热交换器34，在那里热量被释放到冷藏隔室30外部的位置。

此外，当第一台310处于低应变状态时，来自第二热交换器34的冷工作流体(标记为qh-in)可以经由管线50进入第一台310，并且随着第一台310中的机械热材料松弛，工作流体将附加的热量排出到第一台310中的机械热材料。现在更冷的工作流体(标记为qc-out)然后可以经由管线46离开第一台310，流到第一热交换器32，并从冷藏隔室30接收热量。

继续该示例，机械热台310、312可以从图3中所示的配置变形到图4中所示的配置。参照图2和图4，当第一台310处于高应变状态时，来自第一热交换器32的热工作流体qc-in可以经由管线44进入第一台310，并且当第一台310中的机械热材料被压缩并在应变下排热时，工作流体从第一台310中的机械热材料接收附加的热量。现在更热的工作流体qh-out然后可以经由管线48离开第一台310，并流到第二热交换器34，在那里热量被释放到冷藏隔室30外部的位置。

此外，当第二热台312处于低应变状态时，来自第二热交换器34的冷工作流体qh-in可以经由管线50进入第二热台312，并且随着第二热台312中的机械热材料松弛，工作流体将附加的热量排出到第二热台312中的机械热材料。现在更冷的工作流体qc-out然后可以经由管线46离开第二热台312，流到第一热交换器32，并从冷藏隔室30接收热量。

通过使第一热台310和第二热台312在图3和图4中所示的配置之间变形，可以重复上述循环。从上面可以看出，第一热台310和第二热台312交替压缩和松弛第一热台310和第二热台312内的机械热材料，并利用工作流体(液体或气体)来获得热效应。尽管未示出，但是机械热热泵300还可以包含阀、密封件、挡板或其他特征来调节上述工作流体的流动。将理解的是，图5和图6中所示的布置可以以与上面针对图3和图4描述的相同或类似的方式操作，应当理解，第一热台310和第二热台312同时交替地被压缩和松弛。机械热台350也可以以与上述第一热台310和第二热台312的每个相同或类似的方式操作。

图9是根据本主题的示例性实施例的机械热台400的剖视图。机械热台400可以用在任何合适的机械热热泵中或与任何合适的机械热热泵一起使用。例如，机械热台400可以在机械热热泵300中用作机械热台350。如下文更详细讨论的，机械热台400包含用于容纳加压传热流体同时减少径向热泄漏的特征。

从图9中可以看出，机械热台400包含细长外套筒410、细长内套筒420和机械热材料430。细长内套筒420设置在细长外套筒410内。细长外套筒410可以是金属(诸如不锈钢或允许钢)细长外套筒，并且细长内套筒420可以是塑料细长内套筒。此类材料可以有助于机械热台400的操作。例如，金属细长外套筒410可以保持高的径向传热流体压力，并且塑料细长内套筒420可以有助于允许机械热材料430在塑料细长内套筒420上轻微滑动，同时还限制径向热泄漏。

细长外套筒410和细长内套筒420可以是圆柱形的。因此，细长外套筒410可以沿细长外套筒410的长度具有圆形横截面，并且细长内套筒420也可以沿细长内套筒420的长度具有圆形横截面。细长内套筒420的外径可以选择成与细长外套筒410的内径互补，例如，使得细长外套筒410和细长内套筒420之间的摩擦有助于将细长内套筒420安装在细长外套筒410内。

机械热材料430设置在细长内套筒420内。机械热台400还包含一对活塞440。活塞440容纳在细长内套筒420内。每个活塞440定位在细长内套筒420的相应端。因此，活塞440可以绕细长内套筒420内的机械热材料430彼此相对定位。活塞440可以相对于细长内套筒420和机械热材料430移动。具体地，活塞440可以在细长内套筒420上滑动，以便压缩细长内套筒420内活塞440之间的机械热材料430。

密封件450(诸如o形环)可有助于限制传热流体在细长内套筒420和活塞440之间的界面处从细长内套筒420内泄漏。例如，相应密封件450可以在每个活塞440和细长内套筒420之间延伸。每个活塞440还可以包含辊子444。辊子444可以接合上述细长杠杆臂320(图3至图8)。

细长外套筒410还限定一对端口412。每个端口412可以定位在细长外套筒410的相应端。因此，端口412可以定位在细长外套筒410的相对端。传热流体可以经由端口412进入和离开细长外套筒410。

机械热材料430还可以限定一个或多个通道432，该通道沿机械热材料430的长度延伸穿过机械热材料430。传热流体可以经由机械热材料430的通道432流过机械热材料430。每个活塞440可以限定与机械热材料430的通道432相连的通路442和相应一个端口412。来自端口412的传热流体可经由通路442流过活塞440，并进入或离开机械热材料430的通道432。因此，传热流体可以经由端口412、通路442和通道432流过机械热台400。

当机械热材料430形成有通道432时，机械热材料430可以是弹性热材料，并且细长内套筒420内的传热流体可以在通道432中接触机械热材料430。机械热材料430和传热流体之间的此类直接接触可以改善传热，例如，相对于当传热流体在通道432中不接触机械热材料430时。将理解，在可替代示例性实施例中，机械热材料430可以包含任何合适数量的通道432。

图10是根据本主题的另一个示例性实施例的机械热台400的剖视图。在图10中，机械热台400包含位于通道432处的机械热材料430内的流体管460。流体管460可以是金属流体管和/或可以在通道432内沿机械热材料430的长度延伸。细长内套筒420中的传热流体可以经由流体管460流过机械热材料430。当机械热材料430形成有流体管460时，机械热材料430可以是压力热材料，并且细长内套筒420内的传热流体可以在通道432中不接触机械热材料430。通过限制压力热材料和传热流体之间的接触，可以减少或防止压力热材料被传热流体溶解。

图11是机械热台500的剖视图。机械热台400可以以与机械热台500相同或类似的方式构造。如图11中所示，机械热台500包含多条细长弹性热丝510。因此，例如，机械热材料430可以在机械热台400中形成为细长弹性热丝510。细长弹性热丝510被填充在细长内套筒420内。具体地，每条细长弹性热丝510可以接触细长内套筒420和邻近的一对细长弹性热丝510。传热流体可以在细长内套筒420中的细长弹性热丝510之间的间隙内流动。当机械热材料430形成为细长弹性热丝510时，机械热材料430可以是弹性热材料，并且细长内套筒420内的传热流体可以接触细长弹性热丝510。机械热材料430和传热流体之间的此类直接接触可以改善传热，例如，相对于当传热流体在细长弹性热丝510之间的间隙中不接触机械热材料430时。

图12是机械热台600剖视图。机械热台400可以以与机械热台600相同或类似的方式构造。从图11中可以看出，机械热材料430可以限定例如沿机械热材料430的长度延伸穿过机械热材料430的多个通道610。细长内套筒420中的传热流体可以经由通道610流过机械热材料430。当机械热材料430形成有通道610时，机械热材料430可以是弹性热材料，并且细长内套筒420内的传热流体可以在通道610中接触机械热材料430。机械热材料430和传热流体之间的此类直接接触可以改善传热，例如，相对于当传热流体在通道610中不接触机械热材料430时。将理解，在可替代示例性实施例中，机械热台600可以包含任何合适数量的通道610。

图13是机械热台700的剖视图。机械热台400可以以与机械热台700相同或类似的方式构造。从图13中可以看出，机械热材料430可以限定例如沿机械热材料430的长度延伸穿过机械热材料430的通道710。流体管720定位在通道710处的机械热材料430内。流体管720可以是金属流体管和/或可以在通道710内沿机械热材料430的长度延伸。细长内套筒420中的传热流体可以经由通道710流过机械热材料430。当机械热材料430形成有通道710和流体管720时，机械热材料430可以是压力热材料，并且细长内套筒420内的传热流体可以在通道710中不接触机械热材料430。通过限制压力热材料和传热流体之间的接触，可以减少或防止压力热材料被传热流体溶解。

图14是机械热台800的剖视图。机械热台400可以以与机械热台800相同或类似的方式构造。从图14中可以看出，机械热材料430可以限定例如沿机械热材料430的长度延伸穿过机械热材料430的多个通道810。多个流体管820定位在机械热材料430内，例如，使得每个流体管820定位在相应通道810内。细长内套筒420中的传热流体可以经由通道810流过机械热材料430。当机械热材料430形成有通道810和流体管820时，机械热材料430可以是压力热材料，并且细长内套筒420内的传热流体可以在通道810中不接触机械热材料430。通过限制压力热材料和传热流体之间的接触，可以减少或防止压力热材料被传热流体溶解。

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