專利名稱：具有可變容積式膨脹機的制冷系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本申請涉及制冷系統(tǒng)，其中通過膨脹機提供膨脹過程。通 過控制被分流到膨脹機內的中間膨脹點的制冷劑的量，該膨脹機的容 積能夠被改變。正如下面將會詳述的那樣，通過控制被分流的制冷劑 的量，整個制冷系統(tǒng)能夠4皮更加有效地控制和運行。
背景技術：
制冷系統(tǒng)在空調和制冷技術中是公知的，并且被利用以4更 對輸送到被氣候控制的地方或空間的二次流體(例如，空氣、水或乙 二醇溶液)進行調節(jié)。在基本的制冷系統(tǒng)中，壓縮機對制冷劑進行壓 縮，并將該制冷劑向下游輸送到第一熱交換器，在該第一熱交換器處 熱量被直接或間接地從該制冷劑排到周圍環(huán)境。從該第 一熱交換器， 該制冷劑會經過膨脹過程，在該過程中該制冷劑將會被膨脹到更低一 些壓力和溫度，然后該制冷劑會通過第二熱交換器，在該第二熱交換 器處由該制冷劑接受來自第二流體的熱量，以便冷卻將被輸送到室內 環(huán)境的該第二流體。對于在制冷劑臨界點之下的系統(tǒng)運行(或者所謂 的亞臨界運行)而言，第一熱交換器常常被稱作冷凝器，而對于在制 冷劑臨界點之上的系統(tǒng)運行(或者所謂的超臨界運行)而言，第一熱 交換器常常被稱作氣體冷卻器。第二熱交換器通常運行在亞臨界兩相 區(qū)域內，并且被稱作蒸發(fā)器。在公知的制冷系統(tǒng)中利用到的 一 個性能增強選項是膨脹 機的使用。同限制型膨脹裝置(無論是固定類型還是可調整類型)相 比，膨脹機給予了更有效的等熵膨脹過程這樣的優(yōu)點，并且和限制型 膨脹裝置所用的等焓過程相比在蒸發(fā)器中導致了更高的制冷劑冷卻 潛力。同樣，某些膨脹功被恢復以協(xié)助驅動制冷系統(tǒng)部件中的至少一 水
對于制冷系統(tǒng)運行而言都是有益的，因為這兩者都增大了制冷系統(tǒng)的 容量和效率。對于C02制冷劑應用，膨脹機的使用特別重要，這是因為在相對基礎上，膨脹機對co2制冷劑比對傳統(tǒng)制冷劑提供了大得多的熱力循環(huán) 改善。由于在絕對溫標上，co2系統(tǒng)并不像那些采用常規(guī)制冷劑(例如， R22、 R410A、 R404A、 R407C、 R134a,等等)的系統(tǒng)一樣熱力有效，所 以在C02系統(tǒng)內使用膨脹機也是很重要的。在膨脹機使用中的 一個問題涉及到對經過該膨脹機的制 冷劑的量進行控制的難度。另外，由于這些系統(tǒng)中C02循環(huán)的跨臨界 的本質，所以這些系統(tǒng)比采用常規(guī)制冷劑的那些系統(tǒng)對于制冷劑填充 管理更加敏感。現(xiàn)有技術的系統(tǒng)依賴在膨脹機周圍的制冷劑旁通管(從膨 脹機的入口到其出口 )來對流經該系統(tǒng)的制冷劑進行調整。換言之， 制冷劑流量的 一部分被短路以直接從排熱熱交換器出口進入到蒸發(fā) 器入口。這種旁通管的使用被證明是沒有效率的，這是因為被旁通的 制冷劑代表了從膨脹機入口到其出口的直接"泄漏"，該被旁通的制 冷劑不參與到功恢復中，并且被公知是導致膨脹機缺乏效率的主要貢 獻者之一。

發(fā)明內容
在本發(fā)明所公開的實施例中，通過在膨脹機中提供中間壓 力端口來調整該膨脹機容積。如果期望使更多的制冷劑通過膨脹機， 那么來自該膨脹機入口的制冷劑流量的 一部分被分流到該中間膨脹 端口 。通過被放置在該旁通管線內的合適的尺寸大小和/或足以滿足需 要的限制部，來控制通過膨脹機的制冷劑的量。優(yōu)選地，通過流量控 制裝置(例如，閥)來控制該旁通管線內的制冷劑的流量。舉例來說， 該閥可以是開/關(ON/OFF)類型，例如，電磁閥。該閥還可以是可 調整限制(調制)類型，或者脈動類型，以用于對通過該旁通管線的 制冷劑流量的更精確的控制。如果膨脹機包括被彼此串聯(lián)安裝的多個 膨脹級或多個膨脹機，那么類似的技術也可以被使用。在這種情形中， 一些制冷劑被從上游膨脹級的入口分流進入到位于下游的膨脹級的 入口。換言之，在這種情形中，制冷劑被注入到這些膨脹級之間。在本發(fā)明中，通過消除了從高壓的排熱熱交換器到低壓的 蒸發(fā)器的直接"泄漏，，途徑來提高膨脹過程的效率，同時保持有對通 過該膨脹機的制冷劑的量提供精確控制的能力。此外，由于更有效率的等熵過程以及從旁通的制冷劑獲得的額外的功恢復，所以制冷系統(tǒng) 的運行性能得以提高。


從以下詳細說明以及附圖，本發(fā)明的這些特征以及其它特 征能夠被最佳地理解，以下是對附圖的簡要說明。
圖1示意性示出了現(xiàn)有技術的制冷系統(tǒng)。
圖2示出了創(chuàng)造性的制冷系統(tǒng)。圖3示出了創(chuàng)造性的制冷系統(tǒng)的另一個示意性圖示。
具體實施例方式圖1中圖示出現(xiàn)有技術的制冷系統(tǒng)20。正如所公知的那 樣，壓縮機22對制冷劑進行壓縮，并將該制冷劑輸送到排熱熱交換 器24，該排熱熱交換器24對于亞臨界應用而言是冷凝器，且對于跨 臨界應用而言是氣體冷卻器。離開排熱熱交換器24后，膨脹至更低 一些的壓力和溫度的制冷劑驅動膨脹機26。膨脹機26被示意性示出， 并且包括被膨脹流體驅動的移動構件。通過該膨脹機恢復的膨脹功可 以被直接地或間接地利用以協(xié)助驅動制冷系統(tǒng)部件中的至少 一 個。換 言之，或者直接通過耦接器、離合器、齒輪箱等，或者可被用來驅動 發(fā)電機以產生電能，該膨脹機能夠被連接到其它系統(tǒng)部件，例如，壓 縮機、風扇或者泵。為了控制通過膨脹機的膨脹過程，現(xiàn)有技術的制冷系統(tǒng)已 經利用了旁路管線28,該旁路管線28在運行情況中當該膨脹機不能 處理所有膨脹的制冷劑流量時，則將該制冷劑的至少一部分從排熱熱 交換器24的出口引至蒸發(fā)器36的入口 。在當膨脹機不能處理所有膨 脹的制冷劑流量時的情形中，制冷系統(tǒng)的性能將變成次優(yōu)化的，其中 排熱熱交換器內的制冷劑壓力上升到期望的水平之上，并且蒸發(fā)器過 熱也會潛在地增加到期望值之上。到旁路管線28的入口 32延伸至出 口點33。當旁通閥34打開時，制冷劑能夠流動通過旁通管線28，因 而移動通過該回路的制冷劑的量可以增加。不過，該旁通管的使用是 沒有效率的，這是因為它實質上造成了旁路繞過膨脹機26的高到低 的冷卻劑"泄漏"。換言之，隨著更多的冷卻劑被旁路繞過膨脹機26,由該膨脹機恢復的有用的功就越少。此外，冷卻劑流動通過旁通閥34 的一部分會經歷等焓膨脹，該等焓膨脹比膨脹機26內的等熵膨脹過 程具有更低的熱力效率。圖2中作為制冷系統(tǒng)50示出了本發(fā)明。這里，旁通管入 口 32導向旁通管線52。 一個限制部54可以被置于該旁通管線52上， 且點56將旁通管線52終止在膨脹機26內的中間膨脹點處。限制部 54可以是開/關閥、調制閥或者脈動閥。在該發(fā)明中，當制冷劑的至 少一部分旁路通過閥54時，全部的制冷劑仍然會移動通過并退出膨 脹機26。該制冷劑旁路通過閥54的那部分從中間膨脹點56到膨脹機 退出點58繼續(xù)經歷膨脹過程。在該方式中，來自經過旁通管線52的 制冷劑的膨脹功的一部分仍會在膨脹機26內被恢復，并且制冷劑被 旁通的部分將被(至少部分地)等熵膨脹。同時，通過同一個閥54， 膨脹機26上游的壓力能夠被控制，以便最優(yōu)化制冷系統(tǒng)50的運行。通過包括可變容積式膨脹機，本發(fā)明增大了制冷系統(tǒng)的效 率和容量，同時將系統(tǒng)運行控制在最優(yōu)域中。本發(fā)明可以被擴展至包 括若千膨脹級的膨脹機，就像例如，可以是用于多級渦輪機的情形。 本發(fā)明還可以被擴展至彼此被串聯(lián)安裝的多個膨脹機的系統(tǒng)構造。在 這種情形中，如圖3中所示的實施例70，中間膨脹點156位于膨脹級 (或獨立的膨脹機)26A與26B之間。當然，多于兩個的膨脹機可以 被串聯(lián)安裝，其中旁通管線被引至位于任何級之間的點處。另外，當 多于兩個的膨脹級被串聯(lián)連接時，可以安裝多于一個的旁通管線。同樣，如果需要，可以具有多個旁通管線52。如圖3中所 示的實施例， 一個旁通管線52從第一膨脹級26A上游的點200延伸 通過流量控制閥54到達同一膨脹級26A的中間膨脹點202，同時另 一個旁通管線52也結合流量控制閥54，從第一膨脹級26A的上游的 點32延伸到兩個膨脹級26A和26B中間的點156。顯然，上游的點 32和200也可以被組合成一個單獨的點。如上所述，旁通閥54可以是可變面積式的，以便對將多 少制冷劑引至旁通管線52中提供依賴條件的控制。旁通閥54還可以 以脈沖寬度調制方式運行，例如，旁通閥54迅速地在"開啟"和"關 閉"位置之間循環(huán)。本發(fā)明特別適合于用在將C02作為制冷劑并入的制冷系統(tǒng)中，在這種制冷系統(tǒng)中使用膨脹機的益處是最顯著的。應當指出的是，許多不同的膨脹機和壓縮機類型可以被用 在本發(fā)明中。例如，可以采用渦巻式、螺旋式、旋轉式或者往復式膨 月長才幾和壓縮才/L。利用了本發(fā)明的制冷系統(tǒng)可以被用在許多不同的應用中， 包括但不限于，空調系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)、船舶集裝箱單元、制冷式卡車 拖車單元、以及超市制冷系統(tǒng)。盡管已經公開了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但是本領域中的技 術人員將會認識到在本發(fā)明的范圍內將能實現(xiàn)某些修改。由于該原 因，所以應當對所附權利要求進行研究以確定本發(fā)明的真實范圍和內
權利要求
1.一種制冷系統(tǒng)，包括壓縮機，所述壓縮機對制冷劑進行壓縮，并且將所述制冷劑輸送到下游的排熱熱交換器，來自所述排熱熱交換器的所述制冷劑經過膨脹機，所述膨脹機可操作以從所述制冷劑的膨脹過程恢復至少一部分功；以及旁通管線，用于選擇性地將至少一部分制冷劑從所述膨脹機上游的點旁通到在所述膨脹機內的中間壓力點。
2. 如權利要求1所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于，所述旁通管線 具有制冷劑流量限制部。
3. 如權利要求2所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于， 量限制部是閥。
4. 如權利要求3所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于，閥。
5. 如權利要求4所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于， 有在開啟和關閉位置之間迅速循環(huán)的能力。
6. 如權利要求5所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于， 率是在1秒至60秒之間。
7. 如權利要求2所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于， 量限制部具有可變的節(jié)流面積。
8. 如權利要求1所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于， 劑的膨脹過程的所述恢復的部分功被用來協(xié)助驅動, 的至少一個。
9. 如權利要求8所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于， 是所述壓縮才幾。
10. 如權利要求1所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于， 括多個膨脹級。
11. 如權利要求10所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于，所述多個膨 脹級中的至少 一個是獨立的膨脹機。
12. 如權利要求10所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于，所述旁通管 線將所述制冷劑從所述多個膨脹級中的一個的上游位置旁通到所述所述制冷劑流所述閥是開/關所述開/關閥具所述閥的循環(huán)所述制冷劑流來自所述制冷 冷系統(tǒng)部件中所述系統(tǒng)部件所述膨脹機包多個膨脹級中位于下游的一個膨脹級的上游位置。
13. 如權利要求10所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于，在所述多個 膨脹級之間具有多個旁通管線。
14. 如權利要求1所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于，所述制冷劑是co2。
15. —種操作制冷系統(tǒng)的方法，包括步驟1) 提供壓縮機，所述壓縮機對制冷劑進行壓縮，并將所述制冷劑輸送到下游的排熱熱交換器，所述制冷劑從所迷排熱熱交換器經過 膨脹機，所述膨脹機可操作以從所述制冷劑的膨脹過程恢復至少一部分功；以及2) 提供旁通管線，以用于選擇性地將至少一部分制冷劑從所述 膨脹機上游的點旁通到在所述膨脹機內的中間壓力點。
16. 如權利要求15所述的方法，其特征在于，所述旁路管線具 有制冷劑流量限制部。
17. 如權利要求16所述的方法，其特征在于，所述制冷劑流量 限制部是閥。
18. 如權利要求17所述的方法，其特征在于，所述閥是開/關閥。
19. 如權利要求18所述的方法，其特征在于，所述開/關閥具有 在開啟和關閉位置之間迅速循環(huán)的能力。
20. 如權利要求19所述的方法，其特征在于，所述閥的循環(huán)率 是在1秒至60秒之間
21. 如權利要求16所述的方法，其特征在于，所述制冷劑流量 限制部具有可變的節(jié)流面積。
22. 如權利要求15所述的方法，其特征在于，來自所述制冷劑 的膨脹過程的所述恢復的部分功被利用以協(xié)助驅動制冷系統(tǒng)部件中 的至少一個。
23. 如權利要求22所述的方法，其特征在于，所述系統(tǒng)部件是 所述壓縮機。
24. 如權利要求15所述的方法，其特征在于，所述膨脹機包括 多個膨脹級。
25. 如權利要求24所述的方法，其特征在于，所述多個膨脹級 中的至少一個是獨立的膨脹機。
26. 如權利要求24所述的方法，其特征在于，所述旁通管線將 所述制冷劑從所述多個膨脹級中的一個的上游位置旁通到所述多個 膨脹級中位于下游的 一 個膨脹級的上游位置。
27. 如權利要求24所迷的方法，其特征在于，在所述多個膨脹 級之間具有多個旁通管線。
28. 如權利要求15所述的方法，其特征在于，所述制冷劑是C02。
全文摘要
一種制冷系統(tǒng)，其結合有一種可變容積式膨脹機。旁通管線選擇性地將抵達膨脹機的制冷劑的至少一部分旁通到在該膨脹機內的中間膨脹點。和現(xiàn)有技術相比，在該方式中制冷劑膨脹過程被更有效地控制。
文檔編號F25B9/00GK101636622SQ200780052198
公開日2010年1月27日 申請日期2007年3月16日 優(yōu)先權日2007年3月16日
發(fā)明者A·利夫森, M·F·塔拉斯 申請人:開利公司