專利名稱：帶低壓蒸汽噴射的經(jīng)濟制冷系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制冷系統(tǒng)，所述制冷系統(tǒng)例如借助經(jīng)濟器循環(huán)而 具有蒸汽噴射功能，其中，蒸汽噴射僅限于壓縮循環(huán)的低壓部分。
背景技術(shù)：
在很多應(yīng)用中，利用制冷系統(tǒng)調(diào)節(jié)環(huán)境。特別地，空調(diào)和熱泵用 于冷卻和/或加熱進入環(huán)境的二次流體，例如空氣。環(huán)境的冷卻或加熱 負荷可隨環(huán)境條件、居住水平、明顯的和潛在的負荷需求的改變而變， 并且隨祐 調(diào)節(jié)空間的占據(jù)者對溫度和/或濕度設(shè)定值的調(diào)節(jié)而變。
因此，可為制冷系統(tǒng)提供精密的控制和許多可選部件及特性以調(diào)
節(jié)冷卻和/或加熱容量。公知的選擇包括能使制冷劑旁通而回到吸入 管路，所述制冷劑已經(jīng)至少部分地被壓縮機壓縮。這種功能也被稱作 卸荷器功能。運行的這一附加步驟被用來減小系統(tǒng)容量。
經(jīng)濟器循環(huán)(economizer cycle)的利用也已7>知。經(jīng)濟器循環(huán) 在某些條件下通過將冷凝器下游的制冷劑流的 一部分分流來提供系統(tǒng) 性能的增強。分流的制冷劑經(jīng)過獨立的膨脹裝置，然后以與主制冷劑 流進行熱交換的關(guān)系經(jīng)過經(jīng)濟器熱交換器，所述主制冷劑流流過經(jīng)濟 器熱交換器內(nèi)的獨立管道。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，如在本領(lǐng)域中所公知 的那樣，閃蒸罐也被視為是經(jīng)濟器熱交換器的一種類型。分流的制冷 劑冷卻主制冷劑，使得主制冷劑流在其到達蒸發(fā)器時具有更大的冷卻 潛力。分流的制冷劑通過蒸汽噴射管路返回到壓縮循環(huán)的中間點。還 已知經(jīng)濟器循環(huán)能提供額外的卸荷步驟，同時增強運行控制并降低設(shè) 備的壽命周期成本。另外，當(dāng)經(jīng)濟器循環(huán)與各種壓縮機卸荷手段結(jié)合 時，能獲得更大的效益。
一種公知的具有渦旋壓縮機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)利用蒸汽噴射管路作為卸 荷運行的一部分。在這種布置中，制冷劑的一部分可從壓縮室改道進 入蒸汽噴射管路內(nèi)，然后通過卸荷器閥，并最終到達通向壓縮機吸入 口的吸入管路。
在很多蒸汽壓縮裝置中，特別是在具有相對較低壓力比(壓縮機排出壓力與壓縮機吸入壓力之比)的空調(diào)應(yīng)用中，上述的經(jīng)濟器特征
和卸荷器特征還沒有被充分地利用。 一些原因與以下觀點有關(guān)在這 種低壓力比的應(yīng)用中，經(jīng)濟器熱交換器內(nèi)的溫度差很小以提供明顯的 效益，但是與蒸汽噴射管路/口相關(guān)的脈動損失變得更加顯著并且難以 控制。
以往，噴射管路在壓縮機運行期間的大部分時間內(nèi)與壓縮腔連通。 例如，在渦旋壓縮機中，當(dāng)?shù)谝粶u旋盤構(gòu)件相對于第二渦旋盤構(gòu)件繞 行時，在繞行循環(huán)中的某些點，渦旋齒來到一起以相對吸入口密封壓 縮室。通過噴射管路產(chǎn)生進入渦旋壓縮機內(nèi)的蒸汽噴射，所述噴射管 路傳送來自經(jīng)濟器熱交換器或閃蒸罐的制冷劑到渴旋壓縮機內(nèi)的中間 噴射點。蒸汽被噴射到一般相對吸入口和排出口密封的獨立壓縮腔內(nèi)。 以往，蒸汽噴射時間-波控制成，持續(xù)經(jīng)過渦旋盤繞行循環(huán)的大部分時 間。噴射口因此暴露于連接到噴射口的渦旋盤壓縮腔內(nèi)的幾乎全部的 壓力變化范圍。這導(dǎo)致兩個主要的脈動(晃動)和節(jié)流損失，所述脈 動和節(jié)流損失不利于高效的壓縮機運行。出現(xiàn)這些損失是因為在循 環(huán)的起點，當(dāng)渦旋盤壓縮腔內(nèi)的壓力較低時，噴射的制冷劑會充滿壓 縮腔。然而，由于隨著朝向壓縮過程的終點，這個壓縮腔內(nèi)的壓力將 會增大，故制冷劑會被驅(qū)使回到噴射管路內(nèi)。這會因制冷劑移動進出 壓縮腔而導(dǎo)致較高的晃動損失。由噴射管路內(nèi)和通過噴射口的壓降導(dǎo) 致的節(jié)流也會促成這種損失。
已經(jīng)證明，克服這種損失對于在這種用于空調(diào)應(yīng)用的制冷系統(tǒng)中 結(jié)合經(jīng)濟器循環(huán)來說是一種挑戰(zhàn)，在這種空調(diào)應(yīng)用中，與經(jīng)濟器循環(huán) 相關(guān)的任何損失都是極其嚴重的。結(jié)合卸荷器管路和經(jīng)濟器循環(huán)的想 法也引出了另外的問題。在卸荷運行變得不如所期望的那樣有效時會 出現(xiàn)這種問題。在系統(tǒng)卸荷運行期間，當(dāng)蒸汽從中間壓縮口返回到吸 入管路時，在制冷劑被旁通回到吸入管路之前，消耗了過多的壓縮功 率以將制冷劑壓縮到更高的壓力。特別地，在壓縮機已經(jīng)把制冷劑壓
縮到噴射口關(guān)閉的點時，已經(jīng)浪費了相當(dāng)大量的功率來壓縮現(xiàn)在被旁 通回到壓縮才幾吸入管路的制冷劑。因此，在以往，壓縮才幾卸荷也始終
沒有成功得到利用。
本發(fā)明的目的是解決以上所述的問題。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的公開實施例中，蒸汽噴射管路僅僅在壓縮循環(huán)的有限 期間內(nèi)暴露于壓縮室。在現(xiàn)有技術(shù)中，蒸汽噴射一般以相當(dāng)多的時間
暴露于壓縮室， 一般在一個運轉(zhuǎn)周期中，超過50%的時間都暴露于壓縮 室。而在本發(fā)明中，在一個運轉(zhuǎn)周期中，壓縮室以不到50。/。的時間與蒸 汽噴射口連通。更優(yōu)選地，在公開的實施例中，連通時間小于35%。在 一個公開的實施例中，在蒸汽噴射口附近把例如快動閥等流動控制裝 置安置在蒸汽噴射管路上以控制將產(chǎn)生蒸汽噴射的時機?？刂破鲗@ 個閥進行開閉，使得所述閥在渦旋壓縮機運轉(zhuǎn)期間只允許蒸汽噴射管 路和壓縮室之間以較短的時間連通。
因此，本發(fā)明解決了以上提及的問題。
由以下說明和附圖可以充分理解本發(fā)明的這些和其他的特征，附 圖的以下內(nèi)容是簡要說明。


圖1示出結(jié)合本發(fā)明的制冷系統(tǒng)； 圖U示出備選的布置；
圖2示出制冷壓縮機的蒸汽噴射口的一個示例。
具體實施例方式
在圖1中示出制冷系統(tǒng)10,包括壓縮機ll、蒸發(fā)器26、主膨脹裝 置24和冷凝器16。如圖所示，經(jīng)濟器熱交換器18通過經(jīng)濟器噴射管 路(或者所謂的蒸汽噴射管路)20連通至壓縮機11。
壓縮機11可以是渦旋壓縮機，具有動渦旋盤構(gòu)件12，帶有大體 螺旋形的渦旋齒13;以及靜渦旋盤構(gòu)件14，帶有大體螺旋形的渦旋齒 15。如所熟知的那樣，這些渦旋齒互相配合以限定壓縮室。如圖所示， 例如，經(jīng)濟器噴射管路20通過蒸汽噴射口 203和靜渦旋盤構(gòu)件的渦旋 齒15將制冷劑傳送到壓縮室內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)是公知的。
管路20經(jīng)過經(jīng)濟器膨脹裝置115,然后經(jīng)過經(jīng)濟器熱交換器18。 如所知的那樣，通過使分流的制冷劑以與主回路中的制冷劑熱交換的 關(guān)系經(jīng)過膨脹裝置115和熱交換器18,主液體管路113中的制冷劑在 經(jīng)濟器熱交換器內(nèi)被冷卻。如所知的那樣，示出的經(jīng)濟器噴射管路20在壓縮循環(huán)的某些中間點使分流的制冷劑返回到壓縮機11。
如進一步所知的那樣，可選的卸荷器或旁通管路17選擇性地使經(jīng) 濟器噴射管路20連通至吸入管路111。在卸荷器閥19打開時，部分壓 縮的制冷劑的一部分可從渦旋盤構(gòu)件的中間口(下面描述)流動到管 路20,進入到卸荷器管路17內(nèi)并通過卸荷器閥19,最終到達吸入管 路111。吸入管路111與吸入口 201連通以將制冷劑輸送回到壓縮機 ll內(nèi)。 一般，在卸荷器閥19打開時，經(jīng)濟器膨脹閥115不與蒸汽噴射 口 203連通。如杲膨脹閥115不具備關(guān)閉能力，可在經(jīng)濟器噴射管路 20上設(shè)置另外的關(guān)閉裝置以將所述膨脹閥115從壓縮機11的蒸汽噴射 口 203隔離。這種結(jié)構(gòu)和流動構(gòu)造也是已知的。
如圖2所示，靜渦旋齒15優(yōu)選是"組合型線式(hybrid type)" 的，而且如圖所示，具有沿其周向范圍變化的厚度。如這個示例所示， 貫穿渦旋齒15形成噴射口 23和27。噴射口 23和27可具有變化的尺 寸。此外，優(yōu)選在渦旋齒15的一部分的、不是渦旋齒最小厚度的位置 上形成噴射口 23和27。較厚的渦旋齒部額外確保能貫穿渦旋齒形成足 夠尺寸的噴射口。如圖所示，排出口 28貫穿所示靜渦旋盤構(gòu)件的后表 面形成。噴射口也可如現(xiàn)有技術(shù)所知的那樣，貫穿靜渦旋盤構(gòu)件的基 底形成。
動渦旋盤構(gòu)件包括渦旋齒13，所述渦旋齒13也可以是"組合型線 式，，的，并且從基部延伸。所述基部包括在渦旋盤構(gòu)件基底上形成的 凹槽44和46。
在渦旋壓縮機運行期間，動渦旋盤構(gòu)件12將相對于靜渦旋盤構(gòu)件 14移動，使得動渦旋盤構(gòu)件12的基部滑過靜渦旋齒15的頂端。對于 圖2所示的構(gòu)造，在壓縮循環(huán)期間，當(dāng)噴射口 23和27與凹槽"和46 重疊時它們形成連通。此時，可以進行經(jīng)濟器制冷劑流向壓縮室50和 51內(nèi)的噴射。優(yōu)選地，在壓縮室50和51內(nèi)的制冷劑壓力低于經(jīng)濟器 噴射管路20內(nèi)的壓力時，例如通過凹槽44和46實現(xiàn)噴射口 23和27 與壓縮室之間的連通。在這種條件下，經(jīng)濟器制冷劑流被引導(dǎo)到壓縮 室50和51內(nèi)。在壓縮室50和51內(nèi)的壓力超過經(jīng)濟器噴射管路20內(nèi) 的制冷壓力時，最小化或避免噴射管路20和壓縮室50及51之間的連 通也是很重要的。因此，避免了 "進出"壓縮室50和51的制冷劑的 脈動(晃動)。最后，往往重要的是，在相對壓縮機ll的吸入口 201封閉(或者即將封閉)壓縮室50和51之后，立刻提供上述的制冷連 通，以便在經(jīng)濟器熱交換器18內(nèi)獲得最大的溫度差。應(yīng)當(dāng)注意，在圖 2中所顯示的是這樣一個示例在壓縮循環(huán)期間的特定時刻，如何能選 擇性地阻斷或接通通過經(jīng)濟器口的流體。允許有限時間噴射的經(jīng)濟器 噴射口的定位方面的其他布置也是可能的。因此，只是為了說明的目 的而示出圖2所示的布置。
對于圖2所示布置中描述的內(nèi)容，如果對噴射過程的時機選擇需 要額外的加強，那么如圖l所示，在經(jīng)濟器噴射管路20上可以設(shè)置快 動流動控制裝置，例如閥150。這個閥150可由系統(tǒng)控制器301控制， 使得該閥150只在渦旋齒15和13接觸或正要接觸以相對吸入口 201 密封壓縮室50和51之后立即打開。在壓縮室50和51與排出口 28連 通之前很久、壓縮室內(nèi)的壓力優(yōu)選仍然低于或等于經(jīng)濟器噴射管路20 內(nèi)的制冷壓力的時刻，閥150被關(guān)閉。本質(zhì)上，圖1中的閥150的定 時打開與圖2中通過凹槽44和46進行噴射口 23和27的"閥開，，和 "閥閉"起到相似的作用。這個閥150可與圖2所示的布置結(jié)合使用 或獨立于所述布置使用。應(yīng)當(dāng)理解，閥150可設(shè)置在壓縮機殼體的內(nèi) 部或外部。在圖1中示出了設(shè)置在外部的情況。備選地，閥150可如 圖1A所示設(shè)置在殼體的內(nèi)部。該閥也可裝接于殼體。
在公開的實施例中，蒸汽噴射口 23和27僅僅在小于壓縮循環(huán)時 間的50%的時間內(nèi)與壓縮室50和51連通。在優(yōu)選的公開實施例中，這 個連通時間小于35%。對這種連通的精確時機選擇使得經(jīng)濟器循環(huán)的效 率改善。還已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)以非經(jīng)濟器模式運行時(經(jīng)濟器支路被 切斷且旁通管路被關(guān)閉)，特別是如果在壓縮室50和M被封閉后， 蒸汽噴射口和蒸汽噴射管路立刻開始連通，則噴射管路內(nèi)的平均壓力 不會超過吸入壓力的1.75倍。噴射管路內(nèi)的這個低壓力也會使得非經(jīng) 濟器模式下的系統(tǒng)更高效運行。
以類似的方式，當(dāng)閥19打開、部分壓縮的制冷劑的一部分^^皮旁通 回到壓縮機吸入口 201時，旁通卸荷運行的效率也得到改善。因為在 壓縮過程的初期旁通制冷劑，故避免了造成額外功率消耗的對旁通的 制冷劑的不必要的過度壓縮。
應(yīng)當(dāng)理解，系統(tǒng)設(shè)計者可以根據(jù)容量或效率的側(cè)重點考慮有關(guān)系 統(tǒng)性能改善的不同的優(yōu)先級。盡管兩種方法都可受益于所公開的發(fā)明，
9但是從容量提升的觀點來看，蒸汽噴射的啟動應(yīng)當(dāng)盡早地開始，而對 于效率改善來說，蒸汽噴射的啟動應(yīng)當(dāng)符合容量-功率的最優(yōu)化(仍然 位于低壓區(qū)內(nèi))。換句話說，在后一情況中，應(yīng)當(dāng)在由于經(jīng)濟器熱交 換器內(nèi)的更大溫度差而獲得的容量增加、和由于噴射的制冷劑流被壓 縮機壓縮而引起的額外功率消耗之間，實現(xiàn)效率最優(yōu)化。
雖然針對渦旋壓縮機示出了具體公開的實施例，但是其他類型的 壓縮機，例如螺桿壓縮機、旋轉(zhuǎn)壓縮機、往復(fù)式壓縮機或者可結(jié)合經(jīng) 濟器循環(huán)的任何制冷壓縮機都能夠利用本發(fā)明。
盡管已經(jīng)公開了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以 想到，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以進行某些改進。因此，應(yīng)當(dāng)認真研究所 附的權(quán)利要求以確定本發(fā)明的真正范圍和內(nèi)容。
權(quán)利要求
1. 一種制冷系統(tǒng)，包括用于壓縮制冷劑并向下游將制冷劑輸送到冷凝器的壓縮機、位于所述冷凝器的下游的膨脹裝置、位于所述膨脹裝置的下游的蒸發(fā)器，制冷劑從所述壓縮機流經(jīng)所述冷凝器、所述膨脹裝置、所述蒸發(fā)器而返回到所述壓縮機的吸入管路；經(jīng)濟器循環(huán)，包括分流裝置，所述分流裝置從液體管路內(nèi)的主制冷劑流分流出制冷劑的一部分，并且所述經(jīng)濟器循環(huán)使所述分流出的制冷劑流過經(jīng)濟器膨脹裝置，然后流過經(jīng)濟器熱交換器，所述分流出的制冷劑在所述經(jīng)濟器熱交換器內(nèi)與所述主制冷劑流交換熱量，并且該分流出的制冷劑通過噴射管路返回到所述壓縮機；并且，壓縮機具有被經(jīng)壓縮循環(huán)驅(qū)動的壓縮泵單元、吸入口、和排出口，而且所述壓縮泵單元能運行以接收制冷劑并朝所述排出口壓縮制冷劑，所述壓縮機將制冷劑的噴射從所述噴射管路連通到所述壓縮泵單元內(nèi)，并進入到至少一個噴射口內(nèi)，而且所述噴射的時間小于一個壓縮機運轉(zhuǎn)周期的50％。
2. 根椐權(quán)利要求1所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于所述噴射的所 述時間小于一個壓縮機運轉(zhuǎn)周期的35%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于所述壓縮泵單 元包括至少一個連接至所述噴射管路的壓縮腔。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于所述噴射管路 在下述時間段內(nèi)的任意時刻，開始與至少一個壓縮腔連通，所述時間 段為，任意壓縮腔暴露于吸入口之前的十分之一壓縮才幾運轉(zhuǎn)周期、和 任意壓縮腔從吸入口隔離之后的十分之二壓縮機運轉(zhuǎn)周期。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于通過選擇性地 阻斷和接通所述噴射管路來控制所述噴射的時機。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于所述阻斷和接 通由流動控制裝置控制。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于所述流動控制裝置位于所述壓縮機的外部。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于所述流動控制裝置位于所述壓縮機的內(nèi)部。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于所述流動控制 裝置由系統(tǒng)控制器控制。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于所述流動控 制裝置是快動電磁閥。
11. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于通過所述至 少一個噴射口的打開和關(guān)閉來控制所述阻斷和接通。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于通過動渦旋 盤構(gòu)件的基底上的凹槽控制所述至少一個噴射口的所述打開和關(guān)閉。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于所述噴射管 路還與卸荷器管路連通，所述卸荷器管路上設(shè)置有卸荷器閥，并且所噴射管路流回到所述吸入口 。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于所述壓縮泵 單元是渦旋壓縮機。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于所述壓縮機 以2至8的壓力比運行，所述壓力比是排出壓力與吸入壓力之比。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1所迷的制冷系統(tǒng)，其特征在于在噴射管路 和卸荷器管路被阻斷時，所述壓縮機具有的所述噴射管路內(nèi)的壓力與 吸入壓力之壓力比^f氐于1. 75。
17. —種運行制冷系統(tǒng)的方法，包括以下步驟 提供壓縮泵單元，所述壓縮泵單元設(shè)置有吸入口和朝一出口 ，而且所述壓縮泵單元能運行以接收吸入的制冷劑，并通過壓縮循環(huán)朝排出 口壓縮p及入的制冷劑；所述壓縮機還設(shè)置有噴射管路，用于在所述壓縮循環(huán)期間將制冷 劑的噴射連通到所述壓縮室內(nèi)，而且所述制冷劑的噴射被限制到一個 壓縮機運轉(zhuǎn)周期的50%。
18. 4艮據(jù)權(quán)利要求17所述的運行制冷壓縮^f幾的方法，其特征在于 所述制冷劑的噴射被限制到一個壓縮機運轉(zhuǎn)周期的35%。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17所迷的運行制冷壓縮機的方法，其特征在于 卸荷器管路包括閥，所述閥被選擇性地打開以允許來自壓縮室的制冷 劑流經(jīng)所述噴射管路流回到所述吸入口 。
20. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的運行制冷壓縮機的方法，其特征在于壓縮泵單元是渦41壓縮才幾。
21. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于所述壓縮機以2 至8的壓力比運行，所述壓力比是排出壓力與吸入壓力之比。
22. 根據(jù)權(quán)利要求17所迷的方法，其特征在于在噴射管路和卸 荷器管路被阻斷時，所述壓縮機具有的所述噴射管路內(nèi)的壓力與吸入 壓力之壓力比低于1. 75。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有經(jīng)濟器循環(huán)的制冷系統(tǒng)，其結(jié)合了時控的蒸汽噴射方案以減少損失并增強性能。在空調(diào)應(yīng)用中典型的低壓力比下，這種方法的益處特別明顯。制冷劑的噴射在有限的時間段內(nèi)產(chǎn)生并在特定時刻進入到壓縮循環(huán)內(nèi)。優(yōu)選在相對吸入口封閉(或者即將封閉)壓縮室時進行蒸汽噴射，并且一直持續(xù)到壓縮室內(nèi)的制冷劑壓力等于(或即將等于)噴射管路中的壓力。連通時間等于一個運轉(zhuǎn)周期的約35％。在一個實施例中，通過特殊的壓縮機設(shè)計提供這種制冷劑蒸汽噴射的時控。在另一個實施例中，在噴射口附近設(shè)置快動電磁閥以控制噴射過程的啟動和持續(xù)時間。另外還公開了卸荷方案的益處。
文檔編號F25B41/00GK101443609SQ200580051889
公開日2009年5月27日 申請日期2005年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月20日
發(fā)明者A·利夫森, M·F·塔拉斯 申請人:開利公司