具有降膜蒸發(fā)器和水平的油分離器的冷凍器或熱泵的制作方法
【專利摘要】制冷劑回路，使用蒸汽壓縮循環(huán)，該回路能用于空調(diào)、制冷或熱泵的目的。該回路包括潤滑壓縮機、降膜或混合降膜蒸發(fā)器、以及冷凝器，所述潤滑壓縮機連接到與該壓縮機分立的油分離器容器。所述油分離器容器基本水平地延伸。所述油分離器容器被過濾墊分成主空間和副空間，該過濾墊被配置為從進入油分離器容器的制冷劑中基本移除大約5μm和更大的夾帶油滴。所述主空間與所述壓縮機的一個排出口處于流體連通。所述副空間與所述冷凝器的一個入口處于流體連通。所述回路具有的從所述壓縮機排放的潤滑劑的油夾帶流相對于制冷劑流按重量計為至少大約2％。
【專利說明】具有降膜蒸發(fā)器和水平的油分離器的冷凍器或熱泵

【背景技術(shù)】
[0001]本發(fā)明涉及具有中到高冷卻能力(通常約10kW及更高)的用于制冷和空調(diào)或熱泵的機器，其使用蒸汽壓縮循環(huán)，包括與潤滑壓縮機相結(jié)合的降膜或混合降膜蒸發(fā)器，該潤滑壓縮機連接到與該壓縮機分立的油分離器。
[0002]在為節(jié)能和溫室氣體減排所做的研究的領域中，所尋求的是高的設備效率和低的制冷劑充注量。為了達到這些目標，正在對系統(tǒng)中的所有部件做出改進:壓縮機、變速驅(qū)動器、制冷劑的優(yōu)化選擇、油分離器、熱交換器等。大多數(shù)的壓縮機需要大量的潤滑，這些潤滑類似地產(chǎn)生將來自壓縮機的大量油攜帶進入制冷劑回路。這些被夾帶到制冷劑回路的油接下來必須通過一個足夠的油返回系統(tǒng)返回到壓縮機，以避免各種不同的不利影響諸如熱交換器性能的退化。對螺桿壓縮機尤其是如此:這些機器需要特別大量的潤滑來確保轉(zhuǎn)子之間適當?shù)臍饷苄?，且避免對在轉(zhuǎn)子間的額外的同步齒輪的需要。因此，螺桿壓縮機往往需要一個定位在壓縮機排出口和冷凝器入口之間的容器，通常也被稱為油分離器。一個與制冷機器和熱泵有關(guān)的難點在于對制冷劑回路中的油的管理。這要求在油攜帶、油返回系統(tǒng)和熱交換器技術(shù)之間的細致組合。
[0003]除了將油從排出氣體中分離以外，此容器或油分離器或分離器容器通常還有作為用于壓縮機的集油槽的功能。分離器容器或油分離器可以基于若干運行原理。最常用的包括:
[0004]—沖擊分離:將油和氣體的兩相混合物噴射到容器的一個壁上或到容器的端部，提供分離的第一階段。
[0005]——重力分離:混合著油的氣體被允許在容器中行進，或者水平或者垂直向上地；這允許處于液相的油的較大液滴有足夠的時間被重力驅(qū)使朝向容器的底部。
[0006]—過濾墊分離:混合物被迫使通過充當過濾器的一個由緊密間隔的和/或細密交織的絲或線制成的墊。在一個實施方案中，過濾墊可能包括一個線網(wǎng)。根據(jù)像這樣的過濾器制造商的規(guī)程，過濾墊通常水平安裝，其中氣體的流通被導引向上。過濾墊的過濾水平相對粗糙；它不會阻止被夾帶在氣體或霧中的非常細小的液滴，但是和重力分離比較可以去除更小的液滴。
[0007]—離心分離:油和氣體的兩相混合物沿切線方向被引入圓筒形容器。渦旋運動易于將油滴噴射到容器的圓筒形壁上，在該壁上油滴凝聚并落向容器底部。類似于重力分離，離心分離允許去除最大的油滴。
[0008]—凝聚過濾器:油和氣體的兩相混合物被迫使通過充當過濾器的盒子(cartridge) 0過濾器的材料通常是玻璃纖維。該過濾與過濾墊(見上文)相比要細密得多。例如，在制冷劑回路運行過程中，凝聚過濾器基本上可以阻止Iym(微米)或更大直徑的液滴通過該凝聚過濾器。在一個典型的實施方案中，凝聚過濾器一般允許按質(zhì)量計大約I至10百萬分率(PPM)的夾帶在制冷劑流中的油滴從分離器排出。
[0009]在單個分離器中經(jīng)常同時實施若干種不同的原理。例如，當使用凝聚過濾器時，它們通常被安裝以增補一個過濾器或分離器，該過濾器或分離器可以包含一種或多種工作原理，諸如:沖擊分離、重力分離、離心分離、和/或過濾墊分離。在油分離器的設計中，難點在于找到各個參數(shù)之間的最佳折衷，所述參數(shù)諸如:價格、大小、安裝的容易度、壓降、可靠性以及當然還有分離效率。
[0010]油分離器的典型設計包括:
[0011]——一個水平設計，具有多個凝聚過濾器。圖1示出了這個眾所周知的設計的一個實施例。分離以在容器的一個端部的沖擊作為開始，接著是重力分離區(qū)段一這區(qū)段也可以用作集油槽，最后由凝聚過濾器完成。
[0012]—一個垂直旋流器設計，具有一個凝聚過濾器(沒有示出)。
[0013]當恰當?shù)貙嵤r，這些設計通常由于凝聚器元件而提供高效的油分離。然而，凝聚過濾器有一些缺點。它們往往相對昂貴。如果凝聚過濾器沒有安裝恰當，一些串聯(lián)的分離器可能不能滿足操作規(guī)格。如果有可能想要檢查和去除過濾器，則需要昂貴的額外凸緣或提供進入的人孔(man hole)，這也會增加制冷劑泄漏的風險。此外，對具有內(nèi)部凝聚過濾器的容器的液壓安全測試會增大破壞這些過濾器的風險，并且在測試完成后還有合適地清空和干燥容器方面相關(guān)的困難。
[0014]在突發(fā)的高的流體質(zhì)量流量的情況下，凝聚過濾器也會遭受性能損失，且在升高的流體力的影響下容易受到堵塞和/或毀壞。增加的流體質(zhì)量流量對于具有諸如HFC等高壓鹵化制冷劑的熱泵應用尤其成問題。即使當在空調(diào)應用中使用時，當使用諸如R-410A或R-507等高壓HFC時，凝聚器或凝聚過濾器需要超大尺寸。高溫熱泵的使用增多了與這樣的應用相關(guān)的問題。在這樣的高溫熱泵中，由于更高溫度的水或其他介質(zhì)在蒸發(fā)器中被冷卻，蒸發(fā)溫度遠遠高于當在相應空調(diào)應用中使用同樣的機器和制冷劑時的蒸發(fā)溫度。在高溫熱泵中，來自蒸發(fā)器的出水(leaving water)的溫度往往超過20°C,且可以高達60°C或甚至更高。所形成的較高蒸發(fā)溫度會大幅增加制冷劑的密度和質(zhì)量流量，即使當使用相對低壓的制冷劑諸如R-134a或更低壓的制冷劑比如像R_245fa時。
[0015]對于使用壓縮機的熱泵或冷凍器，如螺桿壓縮機，期望一種這樣的油分離器:有極為簡化的不包含凝聚過濾器的設計，同時在運行過程中提供充分的油分離。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]對于使用螺桿壓縮機的熱泵或冷凍器，本公開內(nèi)容旨在使用降膜蒸發(fā)器或混合降膜蒸發(fā)器，諸如像在美國專利N0.7，849，710中所描述的，該專利全部內(nèi)容通過引證的方式納入本說明書。這些蒸發(fā)器提供了在優(yōu)化的性能和降低的制冷劑充注量之間折衷的最優(yōu)的現(xiàn)有技術(shù)方案。此外，降膜和混合降膜蒸發(fā)器的性能對油攜帶量不像傳統(tǒng)的溢流式蒸發(fā)器那么敏感，運行使用油分離器諸如過濾墊而不犧牲蒸發(fā)器的性能。
[0017]為了本公開內(nèi)容的目的，術(shù)語“過濾墊”通常具有下列性能特征:在制冷劑回路運行過程中，基本上阻止直徑約為5μπι(微米)或更大的液滴通過過濾墊。在一個實施方案中，過濾墊運行使得來自分離器的制冷劑流中夾帶的油在大約50到大約100百萬分率(PPM)之間。在過濾墊的另一個實施方案中，過濾墊的空隙百分比為大約97%至大約99%。在過濾墊的另一個實施方案中，過濾墊的絲和/或線的直徑為大約0.15mm至0.35mm(毫米)。
[0018]本發(fā)明旨在使用蒸汽壓縮循環(huán)的制冷劑回路，該回路能用于空調(diào)、制冷或熱泵的目的。該回路包括潤滑壓縮機、降膜或混合降膜蒸發(fā)器、以及冷凝器，所述潤滑壓縮機連接到與該壓縮機分立的一個油分離器容器。該油分離器容器基本水平地延伸。該油分離器容器被過濾墊分成一個主空間和一個副空間，該過濾墊被配置為從進入油分離器容器的制冷劑中基本移除大約5 μ m和更大的夾帶油滴。主空間與壓縮機的一個排出口處于流體連通。副空間與冷凝器的一個入口處于流體連通。所述回路具有的從所述壓縮機排放的潤滑劑的油夾帶流相對于制冷劑流按重量計為至少大約2%。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1示出了一個現(xiàn)有技術(shù)的油分離器。
[0020]圖2示出了本公開內(nèi)容的一個油分離器的一個示例實施方案。
[0021]圖3示出了本公開內(nèi)容的一個油分離器的一個示例實施方案。
[0022]圖4示出了本公開內(nèi)容的一個油分離器的一個示例實施方案。
[0023]圖5示意性示出了本公開內(nèi)容的一個蒸汽壓縮系統(tǒng)的一個示例實施方案。
[0024]圖6示意性示出了本公開內(nèi)容的一個蒸汽壓縮系統(tǒng)的一個示例實施方案。
[0025]圖7示出了本公開內(nèi)容的一個油分離器的一個示例實施方案。
[0026]圖8示出了本公開內(nèi)容的一個油分離器的一個示例實施方案。

【具體實施方式】
[0027]圖2示出了具有過濾墊2的一個水平容器I，該過濾墊2將容器縱向分成兩個空間:主空間3，有一個入口 4以接收來自壓縮機的排出物；以及副空間5，有一個出口 6與冷凝器(沒有示出)的一個入口相通。在一個示例實施方案中，入口 4接收壓縮機排出物，在壓縮機排出物中進入分離器容器I的氣體和油的混合物15可被安排用于在主空間3中在容器I的一個端部提供沖擊分離。此外，第二過濾墊7可以布置在發(fā)生沖擊的容器I的端部17上或附近，以在從壓縮機排出的氣體與容器的端部碰撞后對該氣體的液體再度夾帶進行限制。
[0028]在該布置方式中，如圖2進一步所示，從氣體中分離出的油被允許自由地從主空間3移動到副空間5。在一個實施方案中，過濾墊2被安裝穿過容器I的整個橫截面，橫向于容器I的縱向方向。容器I的下部收集液體油19且執(zhí)行集油槽的功能。由于過濾墊2對液體油19在主空間3和副空間5之間的循環(huán)提供非常小的阻力，因此液體油19的液面對于這兩個空間大致相同。通常選擇通過油管8收集來自副空間5的液體油19以返回到壓縮機用于潤滑是更好的，因為油從主空間3遷移到副空間5時有機會借助過濾墊2與泡沫及氣泡分開。以此布置方式和蒸發(fā)器12(圖5)諸如降膜蒸發(fā)器或混合降膜蒸發(fā)器，油分離器可以容納這樣的回路，該回路具有的從壓縮機排出的潤滑劑的油夾帶流相對于制冷劑流按質(zhì)量計為約2%或更多(也即，在制冷劑加潤滑劑的質(zhì)量流量總量中所占的百分比)，諸如與螺桿壓縮機的操作相關(guān)聯(lián)。在一個實施方案中，油分離器和壓縮機分立開來。
[0029]在一個布置方式中，將相應的主空間3和副空間5分隔開的過濾墊2是基本平面的且是垂直安裝的，即過濾墊2垂直于容器I的縱向軸線，且在分離容器的中間長度附近。在替代布置中，該過濾墊2可以被定位成不垂直于容器軸線，如圖3示出。此布置方式有一個好處是減小流過過濾墊2的氣體的速率。因此，本公開內(nèi)容的容器可以具有比常規(guī)結(jié)構(gòu)的容器的直徑更小的容器直徑，而本公開內(nèi)容的直徑較小的容器可以以通過過濾墊2的這樣一個氣體流速運行，該氣體流速類似于通過圖2的較大的常規(guī)容器的過濾墊2的工作氣體流速。在一個實施方案中，本公開內(nèi)容的直徑較小的容器可以用與較大的常規(guī)容器相比較小的通過過濾墊2的氣體流速而運行。在另一個實施方案中，過濾墊2可以由彼此成一角度布置的(例如布置成如圖4所示的“V”形的)兩個或更多個部分2a、2b組成，圖4是容器的俯視圖。在另外一個實施方案中，部分2a、2b可以具有不同長度。
[0030]在另一個實施方案中，利用相同工作原理的兩個油分離區(qū)段或空間可以被集成在單個容器I內(nèi)，每個區(qū)段或空間或副空間5接收從主空間3排出的氣體和油的大約一半體積。在此布置方式中，一個容器I有兩個過濾墊2，且關(guān)于流動方向有兩個可能的選項。在如圖7示出的一個實施方案中，有一個主空間3基本定位在容器I的中間，且在兩個過濾墊2之間，還有兩個副空間5，其中在容器的每一個端部布置一個副空間5。如所示，有一個公共的氣體入口 4基本定位在主空間3的中間，而在兩個相對的副空間5的每一個中設置有一個出口 6，其中副空間5定位在主空間3的每一個端部。這兩個出口 6連接到冷凝器的入口(沒有示出)。在兩個出口之間的互連管路可以在容器I的內(nèi)部或外部。在另一個實施方案中(圖8)，流體被反向:有一個主空間3布置在容器I的每一個端部，而氣體入口 4的一個端部延伸進入每個相應的主空間3，還有一個公共的副空間5位于相對的兩個主空間3之間，具有進入副空間5的公共的氣體入口 4。在此實施方案中，連接到壓縮機排出處的入口 4的區(qū)段被分成了兩個管道或部分，延伸到兩個主空間中的每一個，在容器I的每一個端部有一個主空間。入口4的互連管路或部分可以被布置在容器的內(nèi)部或外部。例如，在圖8中，有一個延伸到分叉的內(nèi)部管13的公共的入口 4，該內(nèi)部管13將氣體分送到容器I的每一個端部。
[0031]在圖7的一個替代實施方案中，兩個出口 6都可以被連接以形成單個管，該管延伸到一個冷凝器入口。在一個替代布置方式中，冷凝器(沒有示出)可以有兩個入口，每個端部各有一個入口 ；而兩個分離器出口 6的每一個被連接到冷凝器入口之一。
[0032]在同一個容器內(nèi)設置兩個區(qū)段或兩個空間的布置方式提供了許多優(yōu)點。由于到每個區(qū)段或空間的流被減少，諸如減少到原來的二分之一，因此容器的必需橫截面也減小了。因此，盡管長度增加，但直徑的減小將會導致容器不那么昂貴。另一個優(yōu)點在于，較小直徑的容器往往輻射出較少的噪音，因為在較小直徑的殼體內(nèi)產(chǎn)生壁共鳴的可能性更小。最后，容器增加的長度不會引起和其他系統(tǒng)部件的包裝問題，只要分離器或容器的長度不遠遠超過熱交換器(諸如冷凝器和/或蒸發(fā)器)的長度。
[0033]由于油分離器容器是水平的，這樣的布置方式使它與水平殼體和管道的熱交換器、以及與水平螺桿壓縮機驅(qū)動管線的包裝變得容易。在如圖5所示的一個可行的布置方式中，壓縮機9的排出口被向下導引到分離器容器I。在如圖6示出的另一個實施方案中，壓縮機9的排出口可以從壓縮機9的一側(cè)被導引到油分離器容器I。在另一個實施方案中，壓縮機排出口可以在介于向下方向和壓縮機的側(cè)向之間的一個方向上被導引到油分離器容器(沒有示出)。在這個布置方式中，壓縮機驅(qū)動管線可以被安裝成至少部分在油分離器容器的上方。如圖5進一步示出，蒸發(fā)器12被定位在冷凝器11上方，且被布置靠近壓縮機驅(qū)動管線和分離器容器。在其他實施方案中(沒有示出)，蒸發(fā)器12和冷凝器11可以以不同的布置方式相對于彼此和/或相對于壓縮機驅(qū)動管線和油分離器容器被定位。在另一個布置方式中，諸如圖6所示，壓縮機的吸入口被豎向?qū)б?，以使得壓縮機9安裝在蒸發(fā)器12的頂上，而壓縮機從壓縮機的一側(cè)排出到油分離器容器I。在另一個實施方案中(未示出)，壓縮機的吸入口可以從側(cè)面向外延伸出，或者在再另一個實施方案中，壓縮機的吸入口可以相對于油分離器容器I在豎直定向和側(cè)向定向之間延伸。在此布置方式中，壓縮機9可以被安裝成至少部分在蒸發(fā)器12上方。如圖6進一步所示，油分離器容器I被示出側(cè)向地定位在壓縮機9的旁邊，且在冷凝器11的頂上。在其他實施方案中，可以利用在壓縮機、油分離器容器、冷凝器和蒸發(fā)器之間的其他布置方式。
[0034]過濾墊的此用途特別有利于供利用鹵化制冷劑諸如HFC或HFO的熱泵使用，以及當蒸發(fā)溫度明顯高于通常與空調(diào)應用有關(guān)的蒸發(fā)器溫度(例如5°C)時。對于這樣的熱泵，使用HFC制冷劑R-134a或可能的等同物，蒸發(fā)溫度可以高達30°C到大約40°C，而與低壓制冷劑諸如R_245fa相關(guān)聯(lián)甚至會達到更高溫度。
[0035]在另一個實施方案中，制冷劑可包含有碳氫化合物，諸如R-290或R-1270。
【權(quán)利要求】
1.一種制冷劑回路，使用蒸汽壓縮循環(huán)，該回路能用于空調(diào)、制冷或熱泵的目的，該回路包括潤滑壓縮機、降膜或混合降膜蒸發(fā)器以及冷凝器，所述潤滑壓縮機連接到與該壓縮機分立的油分離器容器，其中所述油分離器容器基本水平地延伸，所述油分離器容器被過濾墊分成主空間和副空間，該過濾墊被配置為從進入所述油分離器容器的制冷劑中基本移除大約5 μ m和更大的夾帶油滴，所述主空間與所述壓縮機的一個排出口處于流體連通，所述副空間與所述冷凝器的一個入口處于流體連通，所述回路具有的從所述壓縮機排放的潤滑劑的油夾帶流相對于制冷劑流按重量計為至少大約2%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制冷劑回路，其中油分離器容器的底部被用作集油槽，且該集油槽與壓縮機的供油孔處于流體連通。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制冷劑回路，其中所述壓縮機具有被基本向下導引的排出口和來自壓縮機的上方或側(cè)向的吸入口，以及其中壓縮機驅(qū)動管線被定位成至少部分在所述油分離器的上方，并且所述蒸發(fā)器被定位成至少部分在所述冷凝器的上方。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制冷劑回路，其中所述壓縮機具有被向下導引的吸入口和來自所述壓縮機的一側(cè)的排出口，且其中所述壓縮機被定位成至少部分在所述蒸發(fā)器上方，且所述油分離器被定位成至少部分在所述冷凝器的上方。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制冷劑回路，其中所述油分離器容器的一個入口是分叉的，所述油分離器容器被兩個過濾墊分成三個空間。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制冷劑回路，其中制冷劑流是分叉的。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的制冷劑回路，其中所述三個空間包括彼此不相鄰的兩個副空間。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制冷劑回路，其中所述過濾墊被定位成垂直于所述油分離器容器的縱向軸線。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制冷劑回路，其中所述過濾墊位于所述油分離器容器的縱向軸線的中間長度附近，并且包括一個第二過濾墊，該第二過濾墊位于所述油分離器容器的一個端部。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制冷劑回路，其中所述過濾墊被定位成不垂直于所述油分離器容器的縱向軸線。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的制冷劑回路，其中所述過濾墊由彼此成一個角度布置的兩個或更多個部分組成。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的制冷劑回路，其中所述兩個或更多個部分具有不等的長度。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制冷劑回路，其中所述過濾墊允許從所述油分離器容器流出的制冷劑中夾帶的油在大約50到大約100PPM之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制冷劑回路，被用作熱泵，并且使用鹵化流體作為制冷劑。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的制冷劑回路，其中所述鹵化流體是作為制冷劑的HFC或HFO。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制冷劑回路，其中所述制冷劑是碳氫化合物。
【文檔編號】F25B43/02GK104204692SQ201280072076
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2012年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月29日
【發(fā)明者】P·德拉米納特 申請人:江森自控科技公司