專利名稱：帶有單頻壓縮機的多域空調(diào)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及的是多域空調(diào)系統(tǒng)，本發(fā)明特別涉及一種采用單頻壓縮機但用于可變熱負(fù)荷的空調(diào)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
圖1是常規(guī)的制冷系統(tǒng)10。該系統(tǒng)包括一個壓縮機12、一個冷凝器14、一個膨脹設(shè)備16和一個蒸發(fā)器18。各個部件通過銅管20連接起來從而形成一個閉合回路，制冷劑如R12、R22、R134a、R407c、R410a、氨、二氧化碳或者是天然氣循環(huán)流動。
該制冷循環(huán)主要包括以下幾步壓縮機12壓縮制冷劑，冷凝器14將熱量從制冷劑釋放到環(huán)境，制冷劑在膨脹設(shè)備16中節(jié)流以及制冷劑在蒸發(fā)器18中吸收所冷卻空間的熱量。該過程，其有時被稱為蒸氣壓縮制冷循環(huán)，用在使生活空間中或運輸工具(如汽車、飛機、火車等)中的空氣冷卻并去濕的空調(diào)系統(tǒng)中，冷藏器中和熱泵中。
圖2所示為圖1中蒸氣壓縮制冷循環(huán)的溫熵圖。其中制冷劑在離開蒸發(fā)器18時為蒸發(fā)壓力下的過熱蒸氣(點1)，然后由壓縮機12壓縮到高壓。壓縮過程中制冷劑的溫度也隨著上升，其離開壓縮機時為冷凝壓力下的過熱蒸氣(點2)。
通常的冷凝器由一根管子彎折形成彼此有間距地平行的多排管道。該彎折管路上通常連接有金屬肋片或其它的結(jié)構(gòu)以提供傳熱性能使流過冷凝器的制冷劑與環(huán)境空氣之間換熱達到最大。當(dāng)過熱的制冷劑在冷凝器的上游部分放熱時，過熱蒸氣會(在點2a)變?yōu)轱柡驼魵猓缓箅S著其流過冷凝器14的其余管路，該制冷劑會進一步放熱，當(dāng)制冷劑離開冷凝器14時，其為過冷液體(點3)。
當(dāng)過冷的制冷劑流過膨脹設(shè)備16時，其壓力下降，并變成一種大約由20％氣體和80％液體組成的氣液混合物。還有，當(dāng)其流過膨脹設(shè)備時(圖2中的點4)，其溫度下降到環(huán)境空氣溫度之下。
蒸發(fā)器18在結(jié)構(gòu)上與冷凝器的彎折管路很像。被冷卻的空氣曝露于蒸發(fā)器的表面從而將熱量傳遞到制冷劑中。當(dāng)制冷劑在蒸發(fā)器18中吸收熱量后，其會變成壓縮機吸氣壓力下的過熱蒸氣，并(在圖2中的點1處)重新進到壓縮機中從而完成制冷循環(huán)。
在空調(diào)或制冷系統(tǒng)的設(shè)計和操作中有一個問題是熱負(fù)荷隨著時間的變化而變化。這其中包括兩種變化。第一，熱負(fù)荷隨著室外氣象環(huán)境的變化而變化。對于這種熱負(fù)荷變化來說，有一種處理方法是根據(jù)需要開關(guān)制冷系統(tǒng)即可。這種系統(tǒng)在頻繁開關(guān)時會因壓縮機啟動時大量的能量損失而使工作效率大大降低。第二，夜晚時由于不需對整個房子進行冷卻，因此此時的熱負(fù)荷非常低。當(dāng)臥室所需的冷量要大大低于整個房子所需的冷量，熱負(fù)荷通?？山档?0％以上。換句話說，為了提高效率，制冷量應(yīng)減少60-70％。
為了避免頻繁地開關(guān)操作，有一種方法是如圖3所示使用變頻壓縮機。該系統(tǒng)10A與圖1的系統(tǒng)基本相同，其主要的不同在于壓縮機12A為一個變速壓縮機。不同于壓縮機12A在開與關(guān)之間循環(huán)，該壓縮機的頻率可根據(jù)所需的熱負(fù)荷而變化。然而，變頻壓縮機并不能解決上述的第二個問題，因為其不能處理熱負(fù)荷下降60-70％的情況。
圖4和5所示為蒸發(fā)器所吸收的熱量與頻率的關(guān)系曲線以及EER(能效比)與頻率的關(guān)系曲線。(本領(lǐng)域技術(shù)人員都知道EER為制冷量與壓縮機功耗之比。)從圖4可以看出，變頻類壓縮機的優(yōu)點是當(dāng)頻率從60Hz提高到80Hz時，制冷量能提高17％。然而，當(dāng)頻率從60Hz降到30Hz時，制冷量下降40％。這一性能相對于熱負(fù)荷的變化來說非常好。
然而，在80Hz時所帶來額外17％的制冷量是有代價的即其效率受到嚴(yán)重的損害。如圖5所示，當(dāng)頻率從60Hz提高到80Hz時，EER下降18％。此外，變頻壓縮機的成本通常會占整個空調(diào)系統(tǒng)或制冷系統(tǒng)的三分之一，這一點對于許多應(yīng)用場合如室內(nèi)空調(diào)來說是非常高的。
還有，變頻壓縮機并不能在很低的頻率下工作，因此無法使制冷量下降60-70％。因此，這里需要一種方法，其能避免變頻壓縮的成本問題和其它缺點的情況下解決熱負(fù)荷隨時間變化的問題。
圖6所示為一種采用了變隙渦旋壓縮機12B的空調(diào)系統(tǒng)10B。本領(lǐng)域技術(shù)人員都清楚，壓縮機12B采用了兩個完全同心的渦管，其中一個插在另一里面。一個渦管是靜止的，另一個則旋繞其轉(zhuǎn)動。該渦管的運動將氣體壓過渦管旋轉(zhuǎn)所形成的不斷變小小的空間，直到該氣體在壓縮腔的中心達到最大壓力，然后該壓縮氣體從固定渦管中的排氣口排出。
為了降低空調(diào)系統(tǒng)10B的制冷量，靜止的渦管稍稍偏離旋繞的渦管從而使壓縮機的負(fù)載隨著制冷量的降低而降低。然而，這種壓縮機的成本是一限制因素變隙式渦旋壓縮機的成本大大高于單頻壓縮機(接近四倍)。因此，變隙式渦旋壓縮機不能令人滿意地改變空調(diào)系統(tǒng)的制冷量。
此外，Hwang、Choe、Kim和Chung在Purdue大學(xué)West Lafayette IN2002的Purdue壓縮機工程以及制冷和空調(diào)大會(Purdue CompressorEngineering and Refrigeration and Air Conditioning Conference)上在The Development of High Efficiency Air Condition with TwoCompressor of Different Capacities中提出了一種帶有兩個不同容量壓縮機的高效空調(diào)器。這種雙壓縮機系統(tǒng)可參見圖7中的10C。
系統(tǒng)10C不同于系統(tǒng)10、10A和10B，因為系統(tǒng)10C采用兩個壓縮機12C-1和12C-2以及兩個止回閥13C-3和13C-2。壓縮機12C-1為高容量壓縮機，壓縮機12C-2為低容量壓縮機。兩個壓縮機一起運行以滿足整個冷負(fù)荷的需要。當(dāng)夜間冷負(fù)荷明顯下降時，將大壓縮機12C-1關(guān)掉，只留著小壓縮機12C-2繼續(xù)工作。
該方法的問題是油分配不均。為了防止兩個壓縮機之間油分配的不均，需要有一個共用的15。系統(tǒng)10C的另一個缺點是使用了兩個壓縮機外加兩個止回閥，因此與單壓縮機系統(tǒng)相比，大大增了空調(diào)系統(tǒng)的成本(至少是兩倍)。
2003年12月16日的、名稱為“Refrigeration System WithDe-Superheating Bypass”的美國專利US6662576公開了一種區(qū)域化空調(diào)系統(tǒng)，該文獻在這里以參考的方式全文并入本申請，具有參見圖8的附圖標(biāo)記90。
制冷系統(tǒng)90包括一個主制冷回路91和一個制冷劑旁路92。主回路91包括壓縮機12、冷凝器14、主膨脹設(shè)備16以及多區(qū)域蒸發(fā)器子系統(tǒng)96，所有這些部件均是本領(lǐng)域技術(shù)人員知道的常規(guī)的或所需類型的部件。蒸發(fā)器子系統(tǒng)96包括多個并聯(lián)的蒸發(fā)單元和分別與之相聯(lián)的流量控制閥100a和100b，其中所示的兩個蒸發(fā)單元分別為98a和98b，其按照需要設(shè)置在所冷卻的空間中，這兩個蒸發(fā)單元通過流量控制閥與主膨脹設(shè)備16相連。這些部件同樣也是常規(guī)的或者是所需類型的部件。
旁路92包括一個第二膨脹設(shè)備94和一個熱交換器97，前者通過一個可調(diào)節(jié)流量控制閥95連接到冷凝器14的出口，后者具有一個第一流路和一個第二流路，其中第一流路將壓縮機12的出口與冷凝器14的入口相連，第二流路則連接到第二膨脹設(shè)備94的出口。壓差調(diào)節(jié)設(shè)備(PDAD)38用來使主回路91和旁路92的制冷劑一起返回到壓縮機12。使用壓差調(diào)節(jié)設(shè)備38是因為旁路92中的制冷劑在熱交換器97出口的壓力大于蒸發(fā)器單元98a和98b共用出口104處的壓力。
PDAD 38要么是一個真空發(fā)生設(shè)備如美國專利6250086所示的渦旋發(fā)生器，該文獻在這里以參考的形式全文并入本申請，要么是其它任何一種利用幾何尺寸和流體動力來形成真空的所需或合適設(shè)備如文丘里管，其能使蒸氣在返回到壓縮機入口之前混合起來并達到壓力平衡。作為選擇也可采用壓降設(shè)備如毛細(xì)管、限流孔、閥門或者是多孔塞。顯然，無論采用何種類型的PDAD，其均能使旁路出口的制冷劑流的壓力下降并與蒸發(fā)器出口的壓力相匹配。
在操作中，在需要對兩個區(qū)域進行冷卻時，閥100a和100b均打開，制冷劑流過兩個蒸發(fā)器單元98a和98b。調(diào)節(jié)閥95從而將冷凝器14中10％到15％的制冷劑分到旁路92中從而達到最大的制冷量和最高的效率。
系統(tǒng)90的另一個特征是，如果僅需對蒸發(fā)器單元98a所使用的區(qū)域進行冷卻，那么將閥門100a開啟，將閥門100b關(guān)閉，此時調(diào)節(jié)閥門95從而將那些本來要流過蒸發(fā)器98b的制冷劑和那些用來減溫的制冷劑分流到旁路92中。為了改變旁路中制冷劑的質(zhì)量流量，可連續(xù)或分步調(diào)節(jié)旁路92中的閥門95從而提供所需不同流量的制冷劑。例如，分流10％時制冷劑最大，分流20％、30％和40％時制冷量依次降低。
11月12日提交的、申請?zhí)枮镻CT/US03/36424的、名稱為“Refrigeration System With Bypass Subcooling and Component SizeOptimization”的PCT申請WO2004/044503中公開了另一種區(qū)域化空調(diào)系統(tǒng)，參見圖9中的110，這里該申請以參考的形式全文并入本申請。本系統(tǒng)類似于圖8中的系統(tǒng)90，其不同于其中的旁路92A的配置不同。
更為特別的是，可調(diào)節(jié)控制閥95A布置在穿過熱交換器97A的第一流路的下游側(cè)，并且第二膨脹設(shè)備94A將冷凝器24的出口直接與熱交換器97A第一流路的入口相連。熱交換器97A的第二流路布置在冷凝器24的出口和膨脹設(shè)備16的入口之間，而不是在壓縮機和冷凝器之間。
在諸如圖8和圖9所示的多區(qū)域空調(diào)系統(tǒng)的操作過程中，如果是用來冷卻住宅，那么最大制冷量出現(xiàn)在白天對整個房間進行冷卻的時候。在夜間，制冷量隨著整個房屋中不需冷卻的房間的增加而降低，此時只有臥室需要較少的冷量。因此，如前所述，這樣可使冷負(fù)荷相對于最大冷負(fù)荷降低60-70％，旁通的質(zhì)量流量應(yīng)該在60-70％。
上述旁通的方法并不能解決如此高的旁通流量，因為這里沒有足夠的熱量來蒸發(fā)旁路中流過的所有液態(tài)制冷劑。而制冷劑在流過旁路進入壓縮機之前又必須完全氣化，這是因為如果旁路的末端有一點點液滴都會導(dǎo)致壓縮機的損壞。盡管上述這些系統(tǒng)在多區(qū)域系統(tǒng)中是已知最好的能夠提供可變制冷量的系統(tǒng)，但它們?nèi)匀徊荒苓@么多的液態(tài)制冷劑。因此，這里仍然需要有一個方法和裝置，其能在避免液態(tài)制冷劑進入壓縮機的條件下旁通大量的制冷劑(總質(zhì)量流量的60-70％)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的在于提供一種改進的、制冷量可變的多區(qū)域空調(diào)系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種多區(qū)域的、制冷量可變的空調(diào)系統(tǒng)，其采用一個單頻壓縮機，并且無論所需制冷量如何該壓縮機均連續(xù)運轉(zhuǎn)。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種采用常規(guī)單速壓縮機的空調(diào)系統(tǒng)，該空調(diào)系統(tǒng)能夠提供現(xiàn)有技術(shù)中采用了變頻壓縮機、變隙渦旋壓縮機或多個壓縮機的空調(diào)系統(tǒng)才能提供的可變制冷量，同時又避免了現(xiàn)有系統(tǒng)的缺點。
本發(fā)明更為一般的目的是提供一種空調(diào)系統(tǒng)，其采用一個常規(guī)的單速壓縮機，并且無論冷負(fù)荷如何該壓縮機均連續(xù)運轉(zhuǎn)。
本發(fā)明的一個一般目的是提供一種制冷量可變的制冷系統(tǒng)，其不依賴于昂貴的變頻壓縮機或變隙渦旋壓縮機或者是多個壓縮機。
本發(fā)明的另一目的是提供變?nèi)萘康目照{(diào)系統(tǒng)，其包括一個制冷劑旁路，該旁路能夠有選擇地實現(xiàn)過冷和降溫。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種操作空調(diào)系統(tǒng)的方法，其中的空調(diào)系統(tǒng)具有一個單速壓縮機，該系統(tǒng)能夠在避免現(xiàn)有可變制冷量系統(tǒng)的缺點的條件下提供可變的制冷量；以及本發(fā)明的另一個目的是提供一種操作多區(qū)域空調(diào)系統(tǒng)的方法，在該系統(tǒng)中，一單速壓縮機雖然連續(xù)運轉(zhuǎn)，但卻能提供可變的制冷量。
上述目的由本發(fā)明的空調(diào)系統(tǒng)來實現(xiàn)，該系統(tǒng)具有一個主制冷回路和一個旁路，其中的旁路包括兩個熱交換器，一個用來過冷，另一個用來減溫。本發(fā)明的原理既適用于單區(qū)域系統(tǒng)如房間空調(diào)，又適用于冷卻大空間的多區(qū)域系統(tǒng)。
本發(fā)明的第一方面是提供一種變?nèi)萘恐评湎到y(tǒng)，其具有冷凝裝置、膨脹裝置、蒸發(fā)裝置和一個制冷劑壓縮裝置，當(dāng)系統(tǒng)啟動時，無論冷負(fù)荷如何變化，該壓縮裝置均以固定速度連續(xù)運轉(zhuǎn)，制冷劑旁路包括第二膨脹裝置、第一和第二熱交換裝置以及流量控制裝置。當(dāng)冷負(fù)荷低于預(yù)定的高冷負(fù)荷的閾值時，流量控制裝置使離開冷凝裝置的一部分制冷劑經(jīng)旁路流到第一和第二熱交換裝置，從而使兩個熱交換裝置用作附加的蒸發(fā)裝置。當(dāng)冷負(fù)荷不低于預(yù)定的高冷負(fù)荷的限值時，流量控制裝置用來防止離開冷凝裝置的制冷劑通過旁路流過壓縮裝置。
本發(fā)明的第二方面是提供一種變?nèi)萘恐评湎到y(tǒng)，其具有一冷凝器、一膨脹設(shè)備、一蒸發(fā)器和一壓縮機，當(dāng)系統(tǒng)啟動時，無論冷負(fù)荷如何變化，該壓縮機均以固定速度連續(xù)運轉(zhuǎn)，制冷劑旁路包括一第二膨脹設(shè)備、第一和第二熱交換裝置以及一流量控制設(shè)備。當(dāng)冷負(fù)荷高于預(yù)定的高冷負(fù)荷的閾值時，流量控制設(shè)備在操作上切斷制冷劑到旁路的流動從而提供高制冷量。
作為選擇，任何時候都能將最少質(zhì)量流量的制冷劑分到旁路中從而提高系統(tǒng)的工作效率。當(dāng)冷負(fù)荷落到所選擇的高冷負(fù)荷閾值之下時，旁路中的制冷劑可從最小流量逐漸增加。當(dāng)系統(tǒng)按此方式操作時，作為優(yōu)選，即使在最大熱負(fù)荷時，也有5％到15％質(zhì)量流量的制冷劑分流到旁路中。當(dāng)冷負(fù)荷沒超過所選擇的閾值時，可將更多的制冷劑分流到旁路中以降低制冷量。
本發(fā)明的第三方面是提供一種多區(qū)域系統(tǒng)，其具有一個主制冷劑回路和一個制冷劑旁路；其中主制冷劑回路采用常規(guī)的設(shè)計或者是根據(jù)需要進行設(shè)計，其包括在空間上分開的、多個并聯(lián)布置的蒸發(fā)器單元，這些蒸發(fā)器單元可有選擇地連接到膨脹閥的出口；其中的制冷劑旁路用來使制冷量減少并實現(xiàn)過冷和減溫以便提高整個系統(tǒng)的效率，并保證分流流過旁路的制冷劑在返回壓縮機之前完全氣化。這樣可防止壓縮機因液態(tài)制冷劑的流入而損壞。
在一優(yōu)選實施例中，將冷凝器出來的一部分制冷劑分流出去就能使制冷量降低。將冷凝器的出口連接到第一熱交換器高溫流路的入口。在該流路的出口，有一個控制閥將所需流量的制冷劑分流到旁路中，并由此流過第二膨脹設(shè)備從而降低其壓力和溫度。第二膨脹設(shè)備的出口與第一熱交換器低溫流路的入口相連。如此所形成的傳熱能使主制冷劑回路進一步過冷。
第二熱交換器的高溫流路連接在壓縮機的出口和冷凝器的入口之間，同時離開第一熱交換器低溫流路的制冷劑流過第二熱交換器的低溫流路。由此在第二熱交換器中的傳熱就使主制冷劑回路的溫度下降。然后，離開第二熱交換器低溫流路的制冷劑與離開蒸發(fā)器系統(tǒng)的制冷劑一起返回到壓縮機的入口。傳遞給旁路中制冷劑的總熱量足以實現(xiàn)完全的氣化。
還有，當(dāng)熱交換器在操作上使制冷量降低時，由于液態(tài)制冷劑在第二膨脹設(shè)備中沒有完全膨脹，因此熱交換器中的制冷劑壓力可保持在一個相對于主蒸發(fā)器中壓力更高的壓力上。此時，可用一個壓差調(diào)節(jié)設(shè)備(PDAD)來降低離開旁路的制冷劑的壓力。該PDAD可以是一個諸如渦旋發(fā)生器的真空發(fā)生器，也可是一文丘里管或者是一限流器如毛細(xì)管。如果系統(tǒng)在運行時，主蒸發(fā)器和熱交換器之間沒有壓差，就不需要PDAD。
作為上述實施例的一個變形，在本發(fā)明的第二優(yōu)選實施例中，旁路的上游端布置有一個集液器。作為一種最簡單的形式，該集液器可以是用來形成旁路的連接管路中一個直徑加大了的部分。
在系統(tǒng)中循環(huán)流動的制冷劑可由一種成分構(gòu)成，作為選擇，其也可是一種混合型制冷劑，其包括多種成分，這些成分在選擇時應(yīng)能提供所需的熱力性能和可燃性能。
結(jié)合附圖并參照以下說明，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將會更加清楚。


圖1為常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的流程圖。
圖2為圖1所示常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的溫熵曲線。
圖3為帶有常規(guī)變頻壓縮機的空調(diào)系統(tǒng)的流程圖。
圖4為常規(guī)變頻壓縮機的熱量吸收與頻率之間的性能曲線。
圖5為常規(guī)變頻壓縮機的EER與頻率之間的性能曲線。
圖6為帶有變隙渦旋壓縮機的空調(diào)系統(tǒng)的流程圖。
圖7為一空調(diào)系統(tǒng)的流程圖，該系統(tǒng)帶有兩個壓縮機和兩個止回閥，并共用一個集液器。
圖8為一分區(qū)冷卻系統(tǒng)加上旁路時的流程圖。
圖9為一分區(qū)冷卻系統(tǒng)加上旁路時的另一種流程圖。
圖10為本發(fā)明應(yīng)用到分區(qū)冷卻系統(tǒng)的流程圖，其在旁路中使用了兩個熱交換器。
圖11為本發(fā)明應(yīng)用到多區(qū)域冷卻系統(tǒng)的流程圖，其將一部分旁路用作內(nèi)嵌式集液器。
在所有的附圖中，相同的部件采用相同的附圖標(biāo)記。
優(yōu)選實施例圖10所示為本發(fā)明的第一實施例130，其在旁路中使用了兩個熱交換器。與圖8所示的系統(tǒng)90相似，系統(tǒng)130主制冷回路132和制冷劑旁路133。主回路132包括一壓縮機134、一冷凝器136、一主膨脹設(shè)備138和一個多區(qū)域蒸發(fā)器子系統(tǒng)140，所有這些部件均可采用本領(lǐng)域常規(guī)的或者是所需的類型。在系統(tǒng)中循環(huán)的制冷劑可由一種成分構(gòu)成，作為選擇，其也可是一種混合型制冷劑，其包括多種成分，這些成分在選擇上應(yīng)能提供所需的熱力性能和可燃性能。
蒸發(fā)器子系統(tǒng)140包括多個并聯(lián)的蒸發(fā)器單元，其中的兩個為圖中的144A和144B，以及與蒸發(fā)器單元相聯(lián)的流量控制閥146A和146B，其中的蒸發(fā)器單元按需要布置在所需冷卻的空間中，并通過流量控制單元與主膨脹設(shè)備138相連。還有，這些部件也均是常規(guī)的或者是所需的類型。
旁路133包括一個第二膨脹設(shè)備148、第一熱交換器150和第二熱交換器152以及一個流量控制閥154。熱交換器150和152所示為一個殼管式熱交換單元，顯然也可采用常規(guī)的其它類型或者是按照需要進行設(shè)計。
熱交換器150的管程流路162用作高溫管路，其連接在冷凝器136的出口和主膨脹設(shè)備138的入口之間。殼程流路164用作低溫管路，其通過第二膨脹設(shè)備148與管程流路162的出口相連，從而使離開冷凝器136的一部分制冷劑分流出來，在流過熱交換器之后流到旁路133中。
殼程流路164的出口端通過流量控制閥154連接第二熱交換器152殼程流路的入口端166，該第二熱交換器152的殼程流路用作低溫管路。熱交換器152殼程流路的出口端169與PDAD142的高壓入口相連。熱交換器152的管程流路168用作高溫管路，其連接壓縮機134的出口和冷凝器136的入口之間。
由于蒸發(fā)器子系統(tǒng)140中共用出口160處制冷劑的壓力低于旁路133中的壓力，因此出口160與PDAD 142的低壓入口相連。該PDAD 142的結(jié)構(gòu)可以與上面圖8中的PDAD38相同。顯然，如果這里沒有壓差，則不需要PDAD 142。
圖10所示的結(jié)構(gòu)能通過對蒸發(fā)器子系統(tǒng)140中制冷劑質(zhì)量流量的控制來調(diào)節(jié)制冷劑并使之與不斷變化的熱負(fù)荷相匹配。顯然，這里有一種減少制冷量的方法，即盡可能地關(guān)閉主膨脹設(shè)備138。然而，為了關(guān)閉主膨脹設(shè)備138，就必須使離開冷凝器136的制冷劑達到足夠的過冷。如果不能達到足夠的過冷，那么就有氣液混合物進入到主膨脹設(shè)備138中，此時系統(tǒng)將不再進行冷卻。
然而，在本發(fā)明中，熱交換器150提供的過冷足以使進到主膨脹設(shè)備138的制冷劑完全液化，因此即使在主膨脹閥盡可能關(guān)閉時系統(tǒng)也非常穩(wěn)定。
將離開第一熱交換器的一部分液態(tài)制冷劑分流到第二膨脹設(shè)備148就能使熱交換器150提供所必需的過冷。由于液態(tài)制冷劑在流過第二膨脹閥148時被節(jié)流，因此其會變成低壓低溫的制冷劑混合物。第二膨脹設(shè)備148在選擇上應(yīng)能使旁路中的制冷劑的壓力保持在一個稍高于蒸發(fā)器壓力的數(shù)值上。
如前所述，當(dāng)所需的制冷量達到最低時，多達70％質(zhì)量流量的制冷量需分流到旁路133中。然而，當(dāng)多區(qū)域可變?nèi)萘肯到y(tǒng)中所分流的制冷劑的質(zhì)量流量超過50％時，出于壓縮機安全的考慮，需要非常大的換熱量才能將旁路中的液態(tài)制冷劑轉(zhuǎn)換成過熱蒸氣。這一點對于常規(guī)的系統(tǒng)來說是非常困難的，甚至是不可能的。
在本發(fā)明中，這一問題是通過采用兩個熱交換器來解決的。旁路中的制冷劑首先在第二膨脹設(shè)備148中節(jié)流，由此形成的混合物(其主要由液態(tài)制冷劑構(gòu)成)，進入到第一熱交換器。在第一熱交換器中，旁路中的制冷劑吸收熱量從而使液態(tài)成分不斷減少。第一熱交換器布置在冷凝器的出口和主膨脹設(shè)備的入口之間，其用來使主回路中的液態(tài)制冷劑過冷。過冷的優(yōu)點已在上述的專利文獻WO2004/044503中以及申請日為2004年2月25日、申請?zhí)枮镻CT/US04/05721、名稱為“Refrigeration System Havingan Integrated Bypass Device”的專利文獻中給出了描述，該專利在這里以參考的形式全文并入本申請。
離開熱交換器150的制冷劑混合物流過熱交換器152，并在這里從離開壓縮機的高溫排氣吸收熱量。由此，旁路133中的制冷劑混合物在流過第二熱交換器后就變成過熱制冷劑。這樣就能確保該制冷劑完全氣化，從而在保護壓縮機的同時降低壓縮機排出的制冷劑在冷凝器136前的溫度。
降低壓縮機的排氣溫度能夠提高整個系統(tǒng)的性能。此外，由于壓縮機134排氣的溫度大大高于旁路133中的制冷劑混合物的溫度，因此熱交換器152中會形成充分地?zé)峤粨Q，從而使旁路的端頭形成過熱蒸氣。
在本發(fā)明中，由于旁路中的制冷劑要流過串聯(lián)的兩個熱交換器，因此能吸收足夠的熱量，并在旁路的終端形成過熱蒸氣，這一點是帶有旁路的多區(qū)域變?nèi)萘繎?yīng)用系統(tǒng)所需的一個條件。
正如這里所引用的各種文獻所述的那樣，旁路對于高熱負(fù)荷來說也有許多優(yōu)點。例如，圖10中的制冷系統(tǒng)在最大熱負(fù)荷時旁路中可以沒有分流的制冷劑。作為選擇，旁路133中的流量控制閥154也可用來在熱負(fù)荷很高制冷量最大時將5％到15％質(zhì)量流量的制冷劑分流到旁路中，并且隨著熱負(fù)荷的減少能將最多約60％、甚至70％的制冷劑分流到旁路中。
圖11所示為本發(fā)明的另一個實施例130A。該實施例類似于圖10的實施例，除了旁路133A的上游端的設(shè)置有所不同。為了更加簡潔，這里僅描述不同的地方。
如圖11所示，旁路133A的上游端由一段直徑較粗的管子形成，其優(yōu)選為系統(tǒng)中其余管路直徑的3倍(如2.54cm)。其用作旁路工作時制冷劑的一個管上的存貯空間(集液器)。當(dāng)多區(qū)域系統(tǒng)需要達到最大制冷量時，旁路中的閥門194關(guān)閉從而防止制冷劑分流到旁路133A中，由此使100％的制冷劑流過主回路132中的蒸發(fā)器子系統(tǒng)140和冷凝器136。
當(dāng)冷負(fù)荷下降到某一預(yù)定值之下時，例如該預(yù)定值對應(yīng)于所需的制冷量下降50％，閥門95A打開從而使超過50％的制冷劑進到旁路133A中。然而，當(dāng)這些制冷劑流過旁路時，旁路中的大部分制冷劑都保存在集液器190中。所保存的量優(yōu)選至少為50％，更為優(yōu)選的是所分流質(zhì)量的70％。所分流的其余制冷劑流過第二膨脹設(shè)備148并流到熱交換器152，從而152如前所述提供過冷和減溫。
圖11所示結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于第二膨脹設(shè)備的進液管用作了集液器，其在所需制冷量下降時保存了一部分液態(tài)制冷劑。
在另一個優(yōu)選實施例中，系統(tǒng)130A以前面系統(tǒng)130(圖10)相同的方式進行操作。由此，當(dāng)熱負(fù)荷為100％時，閥門95A和194工作從而使大約5-10％的制冷劑流過旁路從而具有旁路的優(yōu)點。當(dāng)熱負(fù)荷下降到預(yù)定閾值之下，如70-80％之下時或者是設(shè)計最大值之下時，控制閥工作從而提高旁路的質(zhì)量流量降低整個系統(tǒng)的制冷量。
在本發(fā)明的說明中，為了清楚起見，采用的是特定的技術(shù)。然而，本發(fā)明并不限于特定的描述術(shù)語，并且每一個特定術(shù)語均包括類似功能和類似操作的所有技術(shù)。
同樣，這里描述展示的實施例也只是示例性的，在本發(fā)明范圍內(nèi)的其它修改、變化或?qū)嵤├龑Ρ绢I(lǐng)域技術(shù)人員均是顯而易見的。因此，本發(fā)明的范圍僅由權(quán)利要求書而不是說明書來確定。
權(quán)利要求
1.一種變?nèi)萘恐评湎到y(tǒng)，其包括一主制冷劑回路和一制冷劑旁路；其中主制冷劑回路包括壓縮裝置，其無論熱負(fù)荷如何變化均以恒定速度工作以便壓縮主回路中的制冷劑；冷凝裝置，其用來使壓縮后制冷劑放出熱量；主膨脹裝置，其用來使離開冷凝裝置的制冷劑減壓；以及蒸發(fā)裝置，其用來使所被冷卻的空間放出熱量；其中制冷劑旁路包括第二膨脹裝置；第一和第二熱交換裝置，其與主制冷劑回路連接以便使其中的制冷劑放出熱量；以及流量控制裝置，其根據(jù)熱負(fù)荷操作，用來在主膨脹裝置的上游將主制冷劑回路中的一部分制冷劑分流流過上述熱交換器并流到壓縮裝置的一個入口；該熱交換裝置與主制冷劑回路連接從而提供過冷和減溫，其中旁路中的制冷劑無論其質(zhì)量流量如何均能吸收足夠的熱量從而使所分流的制冷劑在返回到壓縮機入口之前完全氣化。
2.如權(quán)利要求1的制冷系統(tǒng)，其進一步包括壓差調(diào)節(jié)裝置，其用來將蒸發(fā)裝置的出口和旁路與壓縮裝置的一個入口相連。
3.如權(quán)利要求1的制冷系統(tǒng)，其中的蒸發(fā)裝置包括多個蒸發(fā)單元，其布置在被冷卻空間的選定位置處；有選擇地將每一蒸發(fā)單元的入口與主膨脹裝置的出口相連的裝置；以及用來將蒸發(fā)單元的出口共同連接到壓縮裝置入口的裝置。
4.如權(quán)利要求3的制冷系統(tǒng)，其中的連接裝置包括壓差調(diào)節(jié)裝置，其用來將蒸發(fā)裝置的出口和旁路與壓縮裝置的入口相連。
5.如權(quán)利要求1的制冷系統(tǒng)，其在旁路中進一步包括用來將分流到旁路的一部分制冷劑存貯起來的裝置。
6.一種制冷系統(tǒng)，其包括一主制冷劑回路，其包括一壓縮機，其無論熱負(fù)荷如何變化均以恒定速度工作；一冷凝器；一主膨脹設(shè)備；以及一蒸發(fā)器；以及一制冷劑旁路，其將主回路與壓縮機的一個入口相連，該旁路包括一第二膨脹設(shè)備；第一和第二熱交換器；以及一流量控制設(shè)備，其根據(jù)熱負(fù)荷操作，從而使離開冷凝器的一部分制冷劑流過第二膨脹設(shè)備，并且經(jīng)上述熱交換器流到壓縮機的入口；該熱交換裝置與主制冷劑回路連接從而使一個熱交換器提供過冷，另一個熱交換器提供減溫，其中旁路中的制冷劑無論其質(zhì)量流量如何均能吸收足夠的熱量從而在返回到壓縮機入口之前完全氣化。
7.如權(quán)利要求6的制冷系統(tǒng)，其進一步包括壓差調(diào)節(jié)設(shè)備，其用來將蒸發(fā)器的出口和旁路與壓縮機的入口相連。
8.如權(quán)利要求6的制冷系統(tǒng)，其中的蒸發(fā)器包括多個蒸發(fā)單元，其布置在被冷卻空間的選定位置處；蒸發(fā)單元的出口共同連接到壓縮機的入口；以及控制閥，其在操作上有選擇地將蒸發(fā)單元的各個入口與主膨脹設(shè)備的出口相連。
9.如權(quán)利要求8的制冷系統(tǒng)，其中蒸發(fā)單元的出口共同連接到一壓差調(diào)節(jié)設(shè)備的一入口；旁路的出口連接到壓差調(diào)節(jié)設(shè)備的另一個入口；壓差調(diào)節(jié)設(shè)備的出口連接到壓縮機的入口。
10.如權(quán)利要求6的制冷系統(tǒng)，其進一步包括一個集液器，以便將分流到旁路的一部分制冷劑存貯起來。
11.如權(quán)利要求6的制冷系統(tǒng)，其中旁路包括，串聯(lián)布置的，第二膨脹設(shè)備，第一熱交換器的第一流路以及第二熱交換器的第二流路；第一熱交換器的第二流路連接在冷凝器的出口和主膨脹設(shè)備的入口之間；第二熱交換器的第二流路連接在壓縮機的出口和冷凝器的入口之間；以及旁路的入口布置在第一熱交換器第一流路的出口和主膨脹設(shè)備的入口之間。
12.如權(quán)利要求11的制冷系統(tǒng)，其中的流量控制設(shè)備在操作上，當(dāng)熱負(fù)荷下降時用來提高旁路中制冷劑的質(zhì)量流量；并且在熱負(fù)荷上升時用來減少旁路中制冷劑的質(zhì)量流量。
13.如權(quán)利要求11的制冷系統(tǒng)，其進一步包括一個集液器，該集液器用來將分流到旁路的一部分制冷劑存貯起來。
14.如權(quán)利要求13的制冷系統(tǒng)，其中的集液器由第二膨脹設(shè)備上游旁路管道的一段直徑加大的部分構(gòu)成。
15.如權(quán)利要求6的制冷系統(tǒng)，其中的旁路連接到第一熱交換器下游的主回路出口處。
16.如權(quán)利要求6的制冷系統(tǒng)，其中蒸發(fā)器由多個并聯(lián)的蒸發(fā)單元構(gòu)成，這些蒸發(fā)單元分別布置在本系統(tǒng)所冷卻空間的各個部分；以及本系統(tǒng)進一步包括多個控制閥，其分別將主膨脹設(shè)備連接到這些蒸發(fā)單元上，當(dāng)某一時刻某一特定位置不需冷卻時，這些控制閥在操作上通過切斷相應(yīng)的制冷劑而使相應(yīng)的蒸發(fā)部件閑置；以及旁路中的流量控制閥，其在操作上用來控制旁路的制冷劑流量，從而在一特定蒸發(fā)部件閑置時使主制冷劑流路中不需要的制冷劑流到旁路中。
17.如權(quán)利要求16的制冷系統(tǒng)，其中旁路中的流量控制閥在操作上在所有蒸發(fā)部件均工作從而使所需制冷量達到最大時將大約5％到15％的制冷劑分流到旁路中，并且在某些蒸發(fā)部件不工作從而使熱負(fù)荷減少時將最高大約70％的制冷劑分流到旁路。
18.如權(quán)利要求6的制冷系統(tǒng)，其中旁路中的流量控制閥在操作上在熱負(fù)荷很高所需制冷量達到最大時將大約5％到15％的制冷劑分流到旁路中，并且在熱負(fù)荷減少時能將最高大約70％的制冷劑分流到旁路。
19.如權(quán)利要求6的制冷系統(tǒng)，其中系統(tǒng)中循環(huán)的制冷劑由一個成分構(gòu)成。
20.如權(quán)利要求6的制冷系統(tǒng)，其中系統(tǒng)中循環(huán)的制冷劑是一種混合型制冷劑，其包括多種成分，這些成分在選擇時應(yīng)能提供所需的熱力性能和可燃性能。
21.如權(quán)利要求6的制冷系統(tǒng)，其中離開冷凝器的制冷劑流過第一熱交換器的一個流路；以及離開第一熱交換器第一流路的一部分制冷劑經(jīng)第二膨脹設(shè)備連接到第一熱交換器的一個第二流路上，從而使離開冷凝器的制冷劑向旁路中的制冷劑放熱，并由此提供過冷。
22.如權(quán)利要求21的制冷系統(tǒng)，其中離開壓縮機的制冷劑流過第二熱交換器的一個流路；以及第一熱交換器第二流路的出口與第二熱交換器的一個第二流路連接，從而使離開壓縮機的制冷劑向旁路中的制冷劑傳熱，并由此提供減溫。
23.如權(quán)利要求22的制冷系統(tǒng)，其進一步包括一個集液器，該集液器布置在第一熱交換器第一流路的出口和第二膨脹設(shè)備之間。
24.如權(quán)利要求6的制冷系統(tǒng)，其中分流到旁路的制冷劑流過第一熱交換器的第一流路并從離開冷凝器流過第一熱交換器第二流路的制冷劑吸收熱量；離開第一熱交換器第一流路的制冷劑流過第二熱交換器的第一流路，并從離開壓縮機流過第二熱交換器一第二流路的制冷劑吸收熱量；以及離開第二熱交換器第一流路的制冷劑流到壓縮機的入口，從主回路制冷劑傳遞到旁路中制冷劑的熱量足以使旁路中的制冷劑在達到壓縮機入口之前完全氣化。
25.如權(quán)利要求24的變?nèi)萘恐评湎到y(tǒng)，其中旁路中的流量控制設(shè)備在操作上，當(dāng)熱負(fù)荷下降時用來提高旁路中制冷劑的質(zhì)量流量，并且在熱負(fù)荷上升時用來減少旁路中制冷劑的質(zhì)量流量。
26.一種用來提高變?nèi)萘恐评湎到y(tǒng)效率的方法，其中的制冷系統(tǒng)包括一主制冷劑回路，該回路包括一壓縮機、一冷凝器、一主膨脹設(shè)備以及一蒸發(fā)器，它們連接起來形成一個閉合回路，并且制冷劑在其中循環(huán)流動，該方法包括以下步驟將離開冷凝器的一部分制冷劑分流到第二制冷劑流路中，該第二制冷劑流路包括第二膨脹設(shè)備以及兩個熱交換器，其中一個熱交換器與冷凝器出口到主膨脹設(shè)備入口之間的主制冷劑流路熱聯(lián)接，同時另一個熱交換器與壓縮機出口到冷凝器入口之間的主制冷劑流路熱聯(lián)接；使所分流的制冷劑流過上述熱交換器從而使主制冷劑流路中流動的制冷劑放出熱量；以及使離開旁路的制冷劑和離開蒸發(fā)器的制冷劑返回到壓縮機的一個入口。
27.如權(quán)利要求26的方法，其中離開旁路的制冷劑和離開蒸發(fā)器的制冷劑通過一個壓差調(diào)節(jié)設(shè)備返回到壓縮機的入口，該壓差調(diào)節(jié)設(shè)備用來混合不同壓力的兩股蒸氣。
28.如權(quán)利要求26的方法，其中的制冷劑在熱交換器下游的一個位置分流到旁路中。
29.如權(quán)利要求26的方法，其進一步包括以下步驟對冷凝器流出的、分流到旁路的制冷劑的量進行控制從而根據(jù)熱負(fù)荷來調(diào)節(jié)制冷量；以及無論熱負(fù)荷如何，壓縮機基本上以恒定速率連續(xù)運轉(zhuǎn)。
30.如權(quán)利要求29的方法，其中在最大熱負(fù)荷條件下，從冷凝器流出的大約5％到15％的制冷劑分流到旁路中，并且在熱負(fù)荷最小時將最高分流大約70％。
31.如權(quán)利要求26的方法，其中主制冷流路包括多個蒸發(fā)器單元，其布置在被分別冷卻的位置處；并且該方法進一步包括以下步驟在需要最大制冷量來冷卻所有的地方時，將預(yù)定最小量的制冷劑分流到旁路中；以及隨著熱負(fù)荷的下降使分流到旁路的制冷劑的量提高。
32.如權(quán)利要求31的方法，其進一步包括以下步驟通過停止制冷劑的流動來使那些在給定時刻不需要冷卻地方的特定蒸發(fā)器單元閑置；將那些在正常情況下輸送到特定蒸發(fā)器單元的制冷劑分流到旁路中。
33.如權(quán)利要求26的方法，其中系統(tǒng)中循環(huán)的制冷劑由一種成分構(gòu)成。
34.如權(quán)利要求26的方法，其中系統(tǒng)中循環(huán)的制冷劑是一種混合型制冷劑，其包括多種成分，這些成分在選擇時應(yīng)能提供所需的熱力性能和可燃性能。
35.如權(quán)利要求26的方法，其進一步包括以下步驟將分流到旁路的一部分制冷劑存貯到一集液器中。
36.如權(quán)利要求26的方法，其進一步包括通過以下操作使離開冷凝器的制冷劑過冷的步驟使離開壓縮機的制冷劑流過第一熱交換器的一個第一流路；以及離開第一熱交換器第一流路的一部分制冷劑經(jīng)第二膨脹設(shè)備分流到第一熱交換器的一個第二流路，由此離開冷凝器的制冷劑就將熱量傳遞給旁路中的制冷劑。
37.如權(quán)利要求26的方法，其進一步包括通過以下操作使離開壓縮機的制冷劑減溫的步驟使離開壓縮機的制冷劑流過第二熱交換器的一個第一流路；以及使離開第一熱交換器第二流路的制冷劑流過第二熱交換器的第二流路，從而使離開壓縮機的制冷劑將熱量傳遞給旁路中的制冷劑。
38.如權(quán)利要求37的方法，其進一步包括以下步驟將從第一熱交換器第一流路的出口分流到旁路的制冷劑存貯到一集液器中。
39.如權(quán)利要求37的方法，其中從主回路制冷劑傳遞到旁路中制冷劑的熱量足以使旁路中的制冷劑在輸送到壓縮機入口之前完全氣化。
全文摘要
一種變?nèi)萘恐评湎到y(tǒng)，其采用定速壓縮機，該壓縮機無論冷負(fù)荷如何變化均以固定速度連續(xù)運轉(zhuǎn)。其中制冷劑旁路包括第二膨脹裝置、兩個熱交換裝置、壓差調(diào)節(jié)設(shè)備以及一個流量控制裝置，該流量控制裝置使離開冷凝裝置的一部分制冷劑分流到旁路。其中一個熱交換器連接成讓離開冷凝器的制冷劑流過第一流路。在第一流路的出口，有一部分制冷劑經(jīng)第二膨脹設(shè)備分流到旁路中，然后流過第一熱交換器的第二流路，由此第一熱交換器就使離開冷凝器的制冷劑過冷。離開壓縮機的制冷劑流過第二熱交換器的第一流路。離開第一熱交換器第二流路的制冷劑流過第二熱交換器的第二流路，然后返回到壓縮機的入口。因此第二熱交換器就使主制冷劑回路中的制冷劑減溫。這種結(jié)構(gòu)用在多區(qū)域系統(tǒng)中能使多達70％的制冷劑分流到旁路中從而在減少制冷量的同時使所分流的制冷劑在返回到壓縮機之前完全氣化。旁路中還可帶有一個集液器。
文檔編號F25B49/00GK1839286SQ200480023824
公開日2006年9月27日 申請日期2004年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月18日
發(fā)明者凱奧爾浩·拜 申請人:沃特克斯·埃爾康公司