專利名稱：制冷設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制冷設(shè)備，尤其但不排外地涉及一種具有用于回收制 冷劑的膨脹能的膨脹器的制冷設(shè)備。
背景技術(shù)：
近年，己提出功率回收制冷循環(huán)以進(jìn)一步提高制冷循環(huán)的效率。根據(jù)日本專利公開公報No.2000—329416，壓縮機(jī)的輸出被使用膨脹器的制冷 劑的回收膨脹功所降低。例如，日本專利公開公報No.2004—257303公開 了 一種功率回收制冷循環(huán)中使用的膨脹器。圖4顯示日本專利公開公報No.2000—329416所公開的一種傳統(tǒng)的制 冷設(shè)備，其包括壓縮機(jī)1、氣體冷卻器(散熱器)2、膨脹器(或膨脹單元) 3和蒸發(fā)器5，所有這些元件串聯(lián)連接以便限定制冷循環(huán)。膨脹器3連接 到發(fā)電機(jī)4。壓縮機(jī)l被驅(qū)動裝置(未圖示)驅(qū)動，例如電動機(jī)或發(fā)動機(jī) 制冷劑被壓縮機(jī)1從常溫和低壓狀態(tài)壓縮到高溫和高壓狀態(tài)，隨后被氣體 冷卻器2冷卻到常溫和高壓狀態(tài)。之后，制冷劑在膨脹器3中膨脹成低溫 和低壓狀態(tài)，然后在制冷劑再次返回到壓縮機(jī)1之前制冷劑被蒸發(fā)器4加 熱到常溫。膨脹器3回收制冷劑的膨脹功以便驅(qū)動發(fā)電機(jī)4，因此產(chǎn)生電 力。圖5顯示傳統(tǒng)的制冷設(shè)備的莫利爾圖(mollier diagram)。在膨脹器3 中，制冷劑在10ms到20ms的短時間期間內(nèi)膨脹，因此，該過程被視作 絕熱膨脹，其中制冷劑的焓沿等熵線(c—d)減小。因此，與膨脹閥僅用 于產(chǎn)生等焓線變化而無任何膨脹功的情況相比，通過膨脹功Aiexp，蒸發(fā) 器5中的特定焓差(enthalpy difference)增加，使得能夠增加制冷能力。 同樣，膨脹器3能夠允許發(fā)電機(jī)4根據(jù)制冷劑的膨脹功Aiexp產(chǎn)生電力， 通過把產(chǎn)生的電力供應(yīng)到壓縮機(jī)l，驅(qū)動壓縮機(jī)1所需的電力能夠被減少。如上所述，蒸發(fā)器5的制冷能力的增加和驅(qū)動壓縮機(jī)1所需電力的減少能 夠提高制冷設(shè)備的COP (性能系數(shù)，Coefficient of Performance )。根據(jù)圖5可清楚地知道，在制冷設(shè)備用的膨脹器3中，制冷劑在入口 (c)處于單相狀態(tài)，在出口 (d)處于兩相(氣一液)狀態(tài)，因此，在膨 脹過程中發(fā)生相變。圖6是顯示日本專利公開公報No.2004—257303中所公開的傳統(tǒng)的制 冷設(shè)備中使用的膨脹器中的工作室的體積和壓力。在第一個半膨脹過程 中，關(guān)于體積變化的壓力下降較大，因為與不可壓縮流體相似的臨界相或 液相制冷劑(單相制冷劑)膨脹，在第二個半膨脹過程中，關(guān)于體積變化 的壓力下降較小，因為制冷劑經(jīng)歷從液相到氣相的相變并且在減小壓力和 溫度的同時極大地膨脹。所公知的是，當(dāng)圖4的制冷設(shè)備的蒸發(fā)器5中安裝的制冷劑管內(nèi)發(fā)生 泡核沸騰(nucleate boiling)時，在制冷劑管的傳熱表面上發(fā)生相變，并 且相變受到傳熱表面的形狀或傳熱表面上的熱通量的影響。然而，因為在 絕熱膨脹期間，膨脹器3中的制冷劑的相變沿圖5中的等熵線發(fā)生，沒有 來自傳熱表面的熱通量，并且因為工作室的壁表面光滑地形成以便減少流 動損失和機(jī)械損失，因此從制冷劑的內(nèi)部以及壁表面發(fā)生相變。為了在流 體中產(chǎn)生氣泡核(bubble nucleuses),需要過熱液體，通過具有大于飽和 溫度(saturationtemperature)的溫度來存儲能量。然而，在產(chǎn)生過熱液體 的過程期間發(fā)生相變延遲。相變延遲減少了制冷劑的膨脹率，導(dǎo)致膨脹器 3回收的制冷劑的膨脹功的減少。發(fā)明內(nèi)容為了克服上述缺陷，提出了本發(fā)明。因此，本發(fā)明的目的是提供一種能夠防止相變延遲的高率制冷設(shè)備。 為了實現(xiàn)上述和其它目的，本發(fā)明的制冷設(shè)備包括壓縮機(jī)、氣體冷 卻器、回收制冷劑的膨脹能的膨脹器、和蒸發(fā)器；壓縮機(jī)、氣體冷卻器、 膨脹器和蒸發(fā)器全部串聯(lián)連接以便限定制冷循環(huán)，其中非冷凝氣體被混合 在制冷劑中。通過該構(gòu)成，混合在制冷劑中的非冷凝氣體用作產(chǎn)生氣泡核，該氣泡核在膨脹器中的制冷劑內(nèi)造成相變，使得能夠防止相變延遲和提供高效的 制冷設(shè)備。優(yōu)選地，非冷凝氣體具有小于一4(TC的沸點。即使本發(fā)明的制冷設(shè)備 用于熱水供應(yīng)或在冷區(qū)域進(jìn)行加熱，該非冷凝氣體能夠被使用并具有充足 的裕量，因此增加了防止相變延遲的效果。有利地，氮被用作非冷凝氣體。氮相對低廉并能夠容易獲得。更有利地，非冷凝氣體具有小于或等于1.0wtn/。的濃度。制冷設(shè)備可包括安裝在膨脹器的入口的流體攪拌器。流體攪拌器用于 將制冷劑中混合的非冷凝氣體的氣泡轉(zhuǎn)變成小氣泡以便增加用于相變的 氣泡核的數(shù)量，因此增加了防止相變延遲的效果。優(yōu)選的是，二氧化碳被用作制冷劑。二氧化碳的使用能夠增加制冷設(shè) 備中的高壓和低壓之間的壓差，并且非冷凝氣體的使用能夠防止僅采用二 氧化碳作為制冷劑的傳統(tǒng)的制冷設(shè)備中出現(xiàn)的相變延遲。


根據(jù)結(jié)合附圖的優(yōu)選實施例的以下說明，本發(fā)明的上述和其它目的和 特征將變得明顯，在整個說明書中，相同部件用相同標(biāo)記表示。 圖l是表示連接到膨脹器的負(fù)載和膨脹器的旋轉(zhuǎn)速度之間的關(guān)系的曲線圖；圖2是表示膨脹器的入口的二氧化碳的溫度和膨脹器的效率之間的關(guān) 系的曲線圖；圖3是膨脹器的入口的二氧化碳的溫度和制冷循環(huán)的COP之間的關(guān)系 的曲線圖；圖4是本發(fā)明的制冷設(shè)備和傳統(tǒng)的制冷設(shè)備的示意圖； 圖5是傳統(tǒng)的制冷設(shè)備的莫利爾圖；和圖6是表示傳統(tǒng)的制冷設(shè)備中使用的膨脹器的工作室的體積和壓力之 間的關(guān)系的曲線圖。
具體實施方式
首先請注意，盡管圖4作為傳統(tǒng)的例子己經(jīng)被說明，但是其還可應(yīng)用于本發(fā)明。即，本發(fā)明的制冷設(shè)備包括壓縮機(jī)l、氣體冷卻器或散熱器2、 膨脹器或膨脹單元3和蒸發(fā)器5，所有這些元件串聯(lián)連接以便限定制冷循 環(huán)。本發(fā)明的制冷設(shè)備還包括連接到膨脹器3的發(fā)動機(jī)4。本發(fā)明的制冷 設(shè)備與傳統(tǒng)的制冷設(shè)備的不同點在于前者采用非冷凝氣體已經(jīng)被混合的 制冷劑。無論制冷劑處于何種狀態(tài)(壓力和溫度)，非冷凝氣體始終處于氣態(tài)。 非冷凝氣體被定義為在制冷設(shè)備的工作期間具有小于制冷劑的最低溫度 的冷凝溫度的物質(zhì)。因為非冷凝氣體總是處于氣態(tài)，因此即使制冷劑處于 液態(tài)，膨脹器3中的非冷凝氣體變成氣泡核，該氣泡核造成制冷劑內(nèi)的相 變，使得能夠防止發(fā)生前述的相變延遲。非冷凝氣體的所需的其它因素為-與制冷劑具有很低的反應(yīng)和在制冷劑中具有很低的溶解度；并且對制冷劑 無影響。關(guān)于混合在制冷劑中的非冷凝氣體的體積，如果體積太大，制冷 劑的性能被惡化，隨之制冷循環(huán)的性能也降低，如果體積太小，制冷劑中 出現(xiàn)的氣泡核的數(shù)量減少，使得防止相變延遲的影響降低。因此，要適當(dāng) 地確定非冷凝氣體的體積。[實例]進(jìn)行了實例，其中二氧化碳被用作循環(huán)通過制冷循環(huán)的的制冷劑，作 為非冷凝氣體應(yīng)用的1.0wty。的氮混合在制冷劑中。氮在大氣壓下具有一195. 8'C的沸點，在3. 4MPa下具有一147. (TC的臨 界點。因此，氮在大于一40'C的溫度下總是處于氣態(tài)，在大于一4(TC的溫 度下二氧化碳被保持在通常的制冷循環(huán)中。氮與二氧化碳的反應(yīng)性和溶解 性都很低。使用圖4的制冷循環(huán)進(jìn)行試驗。首先制冷循環(huán)被抽空，填充100g氮， 然后填充10kg的作為制冷劑的二氧化碳。具有l(wèi)l. 8cc的吸入量的擺動膨脹 器(swing expander)被用作膨脹器3。圖1一3是表示試驗結(jié)果的曲線圖。在這些圖中，"NC-1"表示1.0wt呢 的氮混合在二氧化碳中的情況，"沒有NC-1"表示使用純二氧化碳作為制 冷劑的情況。在圖1中，橫坐標(biāo)表示連接到膨脹器3的負(fù)載(W)，縱坐標(biāo)表 示膨脹器3的旋轉(zhuǎn)速度(rpm)。例如，當(dāng)膨脹器3的旋轉(zhuǎn)速度為大約1800rpm時，"NC-1"能夠使負(fù)載從200W增加到300W。當(dāng)膨脹器3的旋轉(zhuǎn)速度為大約 900rpm時，"NC-1"能夠使負(fù)載從900W增加到1000W。即，圖l的曲線揭示 1.0wtQ/。的氮的添加能夠增加連接到膨脹器3的發(fā)電機(jī)4所產(chǎn)生的電力。圖2是表示膨脹器的入口的二氧化碳的溫度和膨脹器的效率之間的關(guān) 系的曲線圖。該曲線圖揭示1.0^%的氮的添加能夠在試驗所實施的整個溫 度范圍內(nèi)增加膨脹器3的效率。圖3是膨脹器的入口的二氧化碳的溫度和制冷循環(huán)的C0P之間的關(guān)系 的曲線圖。COP是一個性能系數(shù)，該性能系數(shù)由蒸發(fā)器5獲得的制冷生產(chǎn)量 與當(dāng)膨脹器3回收的電力減少時輸入到壓縮機(jī)1的電力的比率限定。COP值 越大，制冷循環(huán)效率越高。圖3揭示1.0wt9&的氮的添加能夠在試驗所實施 的整個溫度范圍內(nèi)增加COP和制冷循環(huán)的效率。根據(jù)進(jìn)一步的試驗，優(yōu)選 的是，1.0wtQ/a或更少的氮添加到制冷劑。根據(jù)上述內(nèi)容，可以清楚地知道，通過在制冷劑中混合非冷凝氣體， 能夠增加膨脹器的效率和制冷循環(huán)的COP。請注意，盡管在上述實施例中膨脹器3被描述成連接到發(fā)電機(jī)4，但是 膨脹器3的軸(未顯示)可與壓縮機(jī)l的軸(未顯示)結(jié)合或連接。同樣，膨脹器3可設(shè)置有網(wǎng)孔形式或插在入口中的棒的形式的流體攪 拌器。流體攪拌器用于將制冷劑中混合的非冷凝氣體的氣泡轉(zhuǎn)變成小氣泡 以便增加用于相變的氣泡核的數(shù)量，因此增加防止相變延遲的效果和提供 高效的制冷設(shè)備。進(jìn)一步請注意，盡管在上述實施例中釆用擺動膨脹器作為膨脹器3， 但是可采用任何容積型膨脹器，例如螺旋膨脹器(scroll expander)、柱 塞式膨脹器、滑片膨脹器等。同樣請注意，非冷凝氣體不限于氮，也可使用氬、氖等稀有氣體。盡管己經(jīng)通過結(jié)合附圖的實例詳細(xì)說明了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)注意的 是，各種變化和修改對于本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員是顯然的。因此，除非這 種變化和修改超出本發(fā)明的精神和保護(hù)范圍，否則它們應(yīng)當(dāng)包括在本發(fā)明 中。[工業(yè)應(yīng)用性]本發(fā)明的制冷設(shè)備不限于冷藏機(jī)或冰箱，它可應(yīng)用于通常的空調(diào)、熱 水供應(yīng)用的熱泵等。
權(quán)利要求
1.一種制冷設(shè)備，包括壓縮機(jī)、氣體冷卻器、回收制冷劑的膨脹能的膨脹器、和蒸發(fā)器；壓縮機(jī)、氣體冷卻器、膨脹器和蒸發(fā)器全部串聯(lián)連接以便限定制冷循環(huán)，其中非冷凝氣體被混合在制冷劑中。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的制冷設(shè)備，其中非冷凝氣體具有小于一4(TC的沸點。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的制冷設(shè)備，其中氮被用作非冷凝氣體。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1一3中任一項的制冷設(shè)備，其中非冷凝氣體具有小 于或等于1.0wty。的濃度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1一4中任一項的制冷設(shè)備，還包括安裝在膨脹器的 入口的流體攪拌器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1一5中任一項的制冷設(shè)備，其中二氧化碳被用作制 冷劑。
全文摘要
一種制冷設(shè)備，包括壓縮機(jī)、氣體冷卻器、回收制冷劑的膨脹能的膨脹器、和蒸發(fā)器；壓縮機(jī)、氣體冷卻器、膨脹器和蒸發(fā)器全部串聯(lián)連接以便限定制冷循環(huán)，其中制冷劑與氮等非冷凝氣體混合。
文檔編號F25B9/00GK101228400SQ200580051159
公開日2008年7月23日 申請日期2005年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月28日
發(fā)明者李敏霞, 松井大, 蘇維誠, 長谷川寬, 馬一太 申請人:天津大學(xué);松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社