專利名稱：具有可噴射液體的渦旋式壓縮機的深度低溫的制冷系統(tǒng)的制作方法
本申請要求獲得在2002年9月18日提交的美國臨時申請No.60/411676的優(yōu)先權(quán)利。
背景技術(shù)：
制冷系統(tǒng)早在1900-1910年就已經(jīng)出現(xiàn)了，當時已經(jīng)開發(fā)出了密封可靠的制冷系統(tǒng)。從那時起，在制冷技術(shù)方面的改進已經(jīng)證明其既可以用于民用設(shè)備也可以用于工業(yè)設(shè)備中。特別是，低溫制冷系統(tǒng)目前為生物醫(yī)學應(yīng)用、低溫電子學、涂漬操作以及半導(dǎo)體制造應(yīng)用領(lǐng)域提供了基本的產(chǎn)業(yè)功能。制冷系統(tǒng)的制造商面臨越來越嚴格的環(huán)境法規(guī)，使得制冷工業(yè)原理已經(jīng)迫使制冷工業(yè)放棄采用氯氟烴(CFCs)而改用氫氯氟烴(HCFCs)。歐盟的法律也規(guī)定從2001年1月1日起禁止在制冷系統(tǒng)中采用氫氯氟烴(HCFC)。
對于制冷工業(yè)而言，系統(tǒng)的占地面積也是另一考慮因素。例如，半導(dǎo)體工業(yè)希望減小系統(tǒng)的占地面積。因此，制冷系統(tǒng)制造商在不犧牲性能和能力的情況下繼續(xù)開發(fā)出部件尺寸緊湊的系統(tǒng)。
如果水平的占地面積比垂直空間受到更多的限制，則有利的是盡可能地使用垂直空間。例如，往復(fù)式和螺桿式壓縮機通常是水平臥式的。半封閉式的往復(fù)式壓縮機尤其是大型的，這增加了制冷系統(tǒng)的所需的占地面積。相反，高效的大容量的渦旋式壓縮機是垂直立式的，由此利用了可用的垂直空間并減小了整個系統(tǒng)的占地面積尺寸。
其它的應(yīng)用領(lǐng)域是生物儲藏以及制藥和化學處理。深度低溫的混合制冷劑的系統(tǒng)已經(jīng)用于生物冷凍機，并用于制藥和化學品處理以便控制過程反應(yīng)或控制其它過程。其它的應(yīng)用包括制藥和生物試劑、反應(yīng)試劑、和其它物質(zhì)的冷凍干燥，以及食品的冷凍干燥。
渦旋式壓縮機的構(gòu)思已經(jīng)有100年了。但是最近20-30年來所需的機械精度實現(xiàn)之后才使得這種結(jié)構(gòu)可商業(yè)化應(yīng)用。在20世紀80年代末期到90年代早期，渦旋式壓縮機開始商業(yè)應(yīng)用，特別是在民用和商用的空調(diào)領(lǐng)域。到了20世紀90年代中期，制冷用渦旋式壓縮機開始用于商業(yè)制冷應(yīng)用(即超級市場的制冷)。
這些現(xiàn)代的渦旋式壓縮機具有立式結(jié)構(gòu)，其中馬達軸是垂直的，并且馬達在壓縮機殼體的下部，并且向下延伸到壓縮機油池。渦旋件位于馬達之上?？赊D(zhuǎn)動的渦旋件的旋轉(zhuǎn)由馬達軸來驅(qū)動，同時靜止渦旋件在可轉(zhuǎn)動的渦旋件之上保持就位。
在深度低溫制冷系統(tǒng)中往復(fù)式壓縮機的通常排氣溫度在110-130攝氏度的范圍內(nèi)。(在壓縮機檢修閥處測量的)130攝氏度通常是排氣溫度的最大容許值。超過130攝氏度導(dǎo)致壓縮機油分解并隨后出現(xiàn)導(dǎo)致壓縮機故障的金屬磨損。
渦旋式壓縮機往往具有更高的排氣溫度。為了保持替代壓縮機的競爭力，開發(fā)出對于制冷用渦旋件的液體噴射，以便控制壓縮機的排氣溫度并且提高制冷量。
在典型的單元中，渦旋式壓縮機的排氣溫度對于壓縮機的運行狀況強加了明顯的限制，并且降低了整個系統(tǒng)的效率。一些重要的因素是整個混合物的組分以及壓縮機的排氣壓力和吸氣壓力。因此，所希望的是，對于給定的制冷劑系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)降低排氣溫度的裝置，以便以較低的蒸發(fā)器溫度運行，或?qū)τ诮o定的蒸發(fā)器溫度提供更多的制冷量。
以另一方式來描述，所希望的是，將排氣溫度保持在安全范圍內(nèi)，同時優(yōu)化整個系統(tǒng)的性能以實現(xiàn)更高的系統(tǒng)效率，以便與卡諾循環(huán)相比，見由Podtchemiaev，Boiarski，和Flynn所著的“Performance ofthrottle-cycle coolers operating with mixed refrigerantsdesigned for industrial applications in a temperature range110 to 190K”，Adavances in Cryogenic EngineeringProceedingof Cryogenic Engineering Conference，Vol.47(2002)。
一種已知的冷卻被壓縮氣體的方法在于，將液體制冷劑從冷凝器經(jīng)噴嘴通道直接噴射到壓縮機中。液體制冷劑可噴射到壓縮機的吸氣區(qū)域，或其噴射到由渦旋件限定的中間包圍空間內(nèi)(例如見美國專利5640854和5076067)。
所使用的制冷劑的發(fā)展改變了制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。傳統(tǒng)上，烷基苯壓縮機油或礦物油與CFC和HCFC系統(tǒng)一起使用。然而，HFC具有較低的可混和性，并且被認為與烷基苯油不混合，因此多元醇型酯(POE)油通常與HFC制冷劑一起使用。制冷系統(tǒng)制造商必須遵守現(xiàn)今的對于指定制冷劑選擇的環(huán)境法，并且必須提供處理所選的制冷劑成分對制冷劑相關(guān)部件例如壓縮機的影響。
現(xiàn)今的主要的渦旋式壓縮機的制造商例如COPELAND或其它制造商選擇、測試、并證實了POE油與常規(guī)制冷劑例如R134a、R404A、R507相容。這些油在-45攝氏度(-49F)下具有與這些制冷劑的良好混合性。從壓縮機排出到排氣管路中的油借助制冷劑返回到壓縮機，因此商用的制冷系統(tǒng)不需要油分離器。
所需的是具有這種壓縮機的制冷系統(tǒng)與特定的POE油相容，POE油在-45攝氏度(-49F)下與制冷劑相混合。
已經(jīng)提出了多種與現(xiàn)今的制冷劑相容的高效、緊湊的制冷系統(tǒng)。
2000年8月8日授權(quán)給Fujita等人的美國專利6098421“Refrigerating apparatus”披露了一種用于制冷設(shè)備的液體噴射式渦旋式壓縮機，其使用HFC制冷劑但不包括氯(HFC-125/HFC-143a/HFC-134a)作為工作流體，并且一定量的噴射液體依據(jù)壓縮機的排氣溫度來控制。另外，酯油和/或醚油用作制冷機油，干燥器設(shè)置在制冷循環(huán)中。借助該結(jié)構(gòu)，在不改變常規(guī)制冷設(shè)備的結(jié)構(gòu)的情況下可在寬范圍內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定制冷循環(huán)。
2000年6月13日授權(quán)給Spauschus等人的美國專利6073454“Reduced pressure carbon dioxide-based refrigerationsystem”披露了一種新的制冷設(shè)備和制冷方法。新的制冷設(shè)備包括脫附器/蒸發(fā)器、與該脫附器/蒸發(fā)器連接的渦旋式壓縮機、與該壓縮機連接的吸附器/冷凝器、與該吸附器/冷凝器和脫附器/蒸發(fā)器連接的膨脹裝置、包括二氧化碳的循環(huán)制冷劑以及與二氧化碳差異共流的液體。該制冷方法包括在渦旋式壓縮機中壓縮二氧化碳氣體和共流的液體，以便使得二氧化碳至少部分地溶解在共流的液體中，并且降低包含二氧化碳的共流的液體的壓力，以便溶解的二氧化碳從共流的液體中分離出來，并且私德氣態(tài)二氧化碳和共流的液體再循環(huán)到渦旋式壓縮機。
2000年5月2日授權(quán)給Tojo等人的美國專利6055827“Refrigerant compressor and refrigerating apparatus”披露了一種帶有渦旋式壓縮機制冷設(shè)備，其壓縮部分吸入并壓縮HFC基制冷劑，并包括冷凝器等，其中滑動軸承可滑動地支承驅(qū)動壓縮機的壓縮部分的驅(qū)動軸，壓縮部分由含鉛的材料制成，并且醚油可與制冷循環(huán)所使用的制冷劑混合，以便作為潤滑油對滑動軸承進行潤滑。
1999年12月28日授權(quán)給Tojo等人的美國專利6006542“Refrigerant compressor and refrigerating apparatus”披露了一種披露了一種帶有渦旋式壓縮機制冷設(shè)備，其壓縮部分吸入并壓縮HFC基制冷劑，并包括冷凝器等，其中滑動軸承可滑動地支承驅(qū)動壓縮機的壓縮部分的驅(qū)動軸，壓縮部分由含鉛的材料制成，并且醚油可與制冷循環(huán)所使用的制冷劑混合，以便作為潤滑油對滑動軸承進行潤滑。
1999年6月8日授權(quán)給Fujita等人的美國專利5910161“Refrigerating apparatus”披露了一種用于制冷設(shè)備的液體噴射式渦旋式壓縮機，其使用HFC制冷劑但不包括氯(HFC-125/HFC-143a/HFC-134a)作為工作流體，并且一定量的噴射液體依據(jù)壓縮機的排氣溫度來控制。另外，酯油和/或醚油用作制冷機油，干燥器設(shè)置在制冷循環(huán)中。借助該結(jié)構(gòu)，在不改變常規(guī)制冷設(shè)備的結(jié)構(gòu)的情況下可在寬范圍內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定制冷循環(huán)。
1997年11月11日授權(quán)給Fujita等人的美國專利5685163“Refrigerating apparatus”披露了一種用于制冷設(shè)備的液體噴射式渦旋式壓縮機，其使用HFC制冷劑但不包括氯(HFC-125/HFC-143a/HFC-134a)作為工作流體，并且一定量的噴射液體依據(jù)壓縮機的排氣溫度來控制。另外，酯油和/或醚油用作制冷機油，干燥器設(shè)置在制冷循環(huán)中。借助該結(jié)構(gòu)，在不改變常規(guī)制冷設(shè)備的結(jié)構(gòu)的情況下可在寬范圍內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定制冷循環(huán)。
Telemark Cryogenics(Nothampton，UK)制造了一種深度低溫的制冷系統(tǒng)，其使用制冷用的渦旋式壓縮機。一部分的這些系統(tǒng)使用可進行液體噴射的渦旋件，但是沒有使用這個特征。不利的是，該系統(tǒng)不具有所希望的高效率。
在Robert D.Lehman所著的在American Laboratory的1996年10月刊的文章“A mechanically refrigerated cryogenic freezerfor air-phase storage of biologicals at-150C without liquidnitrogen”中描述了在自動復(fù)疊式制冷系統(tǒng)中的渦旋式壓縮機。該文章指的是不進行液體噴射的空調(diào)用的渦旋式壓縮機。不利的是，該系統(tǒng)不具有所希望的高效率。
本發(fā)明的目的在于提供一種效率提高的且尺寸減小的深度低溫或深冷制冷系統(tǒng)，其符合現(xiàn)今的規(guī)定制冷劑選擇的環(huán)境法律。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種高效、高能力、緊湊的壓縮機，其減小了制冷系統(tǒng)的占地面積。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種帶有可控制制冷劑排氣溫度的渦旋式壓縮機的制冷系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
在此披露的實施例旨在用于這樣的系統(tǒng)，該系統(tǒng)在范圍為-60到-208攝氏度的范圍內(nèi)提供制冷效果并且使用包括至少兩種制冷劑的混合物，制冷劑的標準沸點(即純的組分在一個標準大氣壓下的沸點溫度)的差別至少50攝氏度。對于在此披露的內(nèi)容，深度低溫指的是-60到-208攝氏度范圍內(nèi)的溫度。
在此披露的內(nèi)容中，借助“R”數(shù)字來表示制冷劑。這些表示方法是由ASHRAE標準#34限定的。ASHRAE代表的是美國采暖、制冷與空調(diào)工程師學會。其它制冷劑由其通稱的名稱來表示，例如氬(Ar)、氮(N2)、和乙烷(C2H6)。
對于在此披露的內(nèi)容，重要的是基于其標準沸點溫度來分開各種制冷劑。沸點高于-15攝氏度的制冷劑稱為沸點較高的制冷劑。這組包括但不限于R-124、R-236fa、R-245fa、R-123等。沸點在-15到-60攝氏度的制冷劑稱為中等沸點的制冷劑。這組包括但不限于商業(yè)常用的制冷劑例如R-134a、R-125、R-22、R-32、R-410A、R-404A、丙烷等。沸點低于-60攝氏度的制冷劑稱為低沸點的制冷劑。這組包括但不限于R-23、R-14、乙烷、甲烷、氙、氪、氦、氮、氖、氧、氫等。
特別的，當與包括至少一種較高溫度的制冷劑和至少一種低沸點制冷劑的混合物一起使用，在此披露的實施例被認為是最有利的。
本發(fā)明代表通過改善效率實現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)的效率提高的改進。在此披露的本發(fā)明的系統(tǒng)與現(xiàn)有技術(shù)的明顯區(qū)別在于，本發(fā)明的系統(tǒng)使用了可進行液體噴射的渦旋式壓縮機，以便在深度低溫制冷系統(tǒng)中用含大量低沸點制冷劑的混合制冷劑來進行冷卻。該低沸點制冷劑形成該制冷劑混合物的大約15％到超過50％，優(yōu)選的是，形成制冷劑混合物的小于50％，最優(yōu)選的是形成制冷劑混合物的20-45％。
這種效果是借助以下機構(gòu)來實現(xiàn)的由于當降低到中間噴射溫度的節(jié)流作用，室溫的液體可進行冷卻。在壓縮機中中等壓縮的氣體由于到該點的施加壓縮功因而其溫度高于環(huán)境溫度。當與中間壓力的液體混合時，液體將蒸發(fā)并冷卻氣體。由于這種混合，中間狀態(tài)的氣體溫度下降，因此排氣溫度將降低。
與中間壓力的氣體不同組分的液體可加入，其通常具有較高的分子重量的化合物并且通常具有對應(yīng)的較低比率的比熱。因此，整個組分變化，并且這兩種混合流的比熱的比率下降，排氣溫度將降低。
在兩個渦旋件以吸氣壓力包圍一氣體穴之后，加入到壓縮過程中的制冷劑使得制冷劑質(zhì)量流率增加。質(zhì)量流率的增加使得制冷劑效率提高。
對于沸點較高的液體制冷劑的控制在于，它們沒有不利地與混合物分離并聚集在壓縮機油池中從而使得這些制冷劑的濃度高于沒有液體噴射的渦旋式壓縮機可以維持的濃度。這借助例如多種手段來提高整體制冷效率，例如增加熱量排散，和/或使用高濃度的低沸點組分的能力，或在較高的壓縮比的情況下運行的能力。
在此披露的系統(tǒng)包括高效的、高容量的、緊湊的渦旋式壓縮機，其控制包含低沸點制冷劑的混合制冷劑的排氣溫度。在此披露的系統(tǒng)的有點在于，沸點較高的制冷劑組分的循環(huán)如此控制，即，使得其在壓縮機運行時在壓縮機油池中沒有過量聚集。這種改進的控制使得壓縮機排氣溫度降低，并且可使得整體系統(tǒng)的效率提高。
另外，提供了這樣的制冷系統(tǒng)，其具有可與特殊的低溫POE油相容的壓縮機。
在此披露的實施例提供了這樣的制冷系統(tǒng)，其具有帶有這些所有優(yōu)點的壓縮機，并且同時所需的整體占地空間減小。
通過提供這樣一種深度低溫制冷系統(tǒng)，其使用了在商業(yè)上可制造的帶有用于降低排氣溫度的液體噴射裝置的渦旋式壓縮機，從而使得這些實施例具有這些和其它的優(yōu)點，該制冷系統(tǒng)包括帶有液體噴射口的渦旋式壓縮機，其還包括(可選的)電磁閥；和特定的FMD；以及可選的曲軸箱加熱器或帶式加熱器；
排氣管路；冷凝器；(可選的)液體聚集罐；液體管路；制冷過程；制冷劑供應(yīng)管路；蒸發(fā)器盤管；制冷劑返回管路；在制冷過程中至少一個流動調(diào)節(jié)裝置；多個檢修閥(都是可選的)；多個電磁閥(都是可選的)；壓縮機吸氣管路；(可選的)膨脹罐；具有(可選的)油返回管路的油分離器；(可選的)除霜管路；以及液體噴射管路。
其中渦旋式壓縮機經(jīng)排氣管路與冷凝器連接。冷凝器使得從制冷劑排散熱量并且經(jīng)液體管路與制冷過程的供應(yīng)進口連接。液體管路將高壓制冷劑供應(yīng)給制冷過程。制冷過程的供應(yīng)出口經(jīng)制冷劑供應(yīng)管路與用戶安裝的蒸發(fā)器盤管的進口相連。在制冷劑供應(yīng)管路的位于制冷過程和蒸發(fā)器盤管之間的管路中，具有第一流動調(diào)節(jié)裝置(FMD)，其與第一電磁閥相連。蒸發(fā)器盤管的出口與制冷劑返回管路連接，其與制冷過程的低壓側(cè)連接。制冷過程的返回出口經(jīng)壓縮機吸氣管路返回到渦旋式壓縮機而使得該環(huán)路封閉。
可選的膨脹罐與壓縮機吸氣管路連接。第二可選的FMD布置在膨脹罐與壓縮機吸氣管路之間的管路中。在制冷系統(tǒng)中的除霜供應(yīng)回路按以下方式形成可選的油分離器的入口在渦旋式壓縮機和冷凝器之間的節(jié)點處與排氣管路連接。油分離器的第一出口與可選的第二電磁閥的入口連接，該入口在第一電磁閥與蒸發(fā)器盤管之間的節(jié)點處經(jīng)除霜管路與制冷劑供應(yīng)管路連接。因此，制冷劑旁通繞過制冷過程，以便熱的排出氣體供應(yīng)給蒸發(fā)器以便加溫。還可使用該除霜過程的另外的其它變型。這些在美國專利6574978中進行了描述，其內(nèi)容通過引證引入到本發(fā)明中。
油分離器的第二出口在制冷過程和渦旋式壓縮機之間的節(jié)點處經(jīng)油返回管路連接回到壓縮機吸氣管路。冷凝器的出口與制冷劑供應(yīng)(液體)管路和液體噴射管路連接。液體噴射管路返回連接到渦旋式壓縮機上。(可選的且未示出的)液體聚集罐、可選的電磁閥、和第三FMD位于液體管路與渦旋式壓縮機之間的管路中。
油池加熱器或曲柄箱加熱器是制冷系統(tǒng)上的標準部件，并且其用于防止制冷劑在啟動過程對壓縮機產(chǎn)生液擊。然而，如果使用的話，其可以按兩種方式來使用。第一種方法是僅當壓縮機停機時接通該加熱器以便使得在壓縮機油池內(nèi)的制冷劑液體減至最小。然而，在用于深度低溫的混合制冷劑的系統(tǒng)中，這通常不是非常有效，因為其蒸氣壓力非常低并且對應(yīng)于標準的較高沸點，所以由這些加熱器獲得的通常的溫度不能有效減少這種液體制冷劑。
在某些情況下，在壓縮機油池的外側(cè)包圍附加的加熱器以便提供足夠的能量以控制在油池內(nèi)的液體量。第二種方法是當壓縮機運行時接通加熱器，使得在壓縮機油池內(nèi)的制冷劑液體量減小。在替代結(jié)構(gòu)中，當壓縮機運行時高溫的排出氣體與壓縮機油池熱接觸，以便對油池加溫，從而代替外部的加熱器。
在優(yōu)選實施例中，本發(fā)明的系統(tǒng)是一種使用渦旋式壓縮機的深度低溫制冷系統(tǒng)，該渦旋式壓縮機可以進行液體噴射以便降低排氣溫度，并且還具有用于給油池加溫的可選的加熱器，與沒有液體噴射的渦旋式壓縮機相比，可提高整個系統(tǒng)的效率，同時與使用常規(guī)的往復(fù)壓縮機的制冷系統(tǒng)相比，使得該系統(tǒng)的尺寸減至最小。
所披露的深度低溫制冷系統(tǒng)適于與具有較高沸點和低沸點組分的混合的制冷劑(MR)混合物一起使用，并且還適于與特定低溫POE油和其它POE油以及其它常規(guī)的壓縮機油一起使用。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)的深度低溫制冷系統(tǒng)的示意圖，其中示出了深度低溫的混合式制冷過程；圖2A示出了渦旋式壓縮機的兩個主要部件中的一個，該壓縮機通常用于依據(jù)本發(fā)明的制冷應(yīng)用中；
圖2B示出了渦旋式壓縮機的兩個主要部件中的另一個，該壓縮機通常用于依據(jù)本發(fā)明的制冷應(yīng)用中；圖2C示出了渦旋式壓縮機的組合的兩個主要部件，該壓縮機通常用于依據(jù)本發(fā)明的制冷應(yīng)用中；和圖3示出了本發(fā)明的的深度低溫制冷系統(tǒng)的第二實施例。
具體實施例方式
本發(fā)明涉及一種使用在商業(yè)上可制造的渦旋式壓縮機的深度低溫制冷系統(tǒng)，該渦旋式壓縮機可以進行液體噴射以便降低排氣溫度，并且還具有用于給油池加溫的可選的加熱器。通過控制沸點較高的制冷劑的循環(huán)，可實現(xiàn)對排氣溫度的控制，并且可提高整個系統(tǒng)的效率。與使用常規(guī)的半封閉式往復(fù)壓縮機的制冷系統(tǒng)相比，渦旋式壓縮機的使用使得該深度低溫制冷系統(tǒng)的尺寸緊湊。另外，本發(fā)明的深度低溫制冷系統(tǒng)使用了在商業(yè)上可制造的渦旋式壓縮機，并且適于與具有沸點較高的組分和低沸點組分的優(yōu)化的混合制冷劑(MR)一起使用。
其使用在商業(yè)上可制造的渦旋式壓縮機，該渦旋式壓縮機具有用于降低排氣溫度的液體噴射裝置和用于給油池加溫的加熱器，其包括帶有液體噴射口的渦旋式壓縮機，其還包括電磁閥；和特定的FMD；以及可選的曲軸箱加熱器或帶式加熱器。
排氣管路；冷凝器；(可選的)液體聚集罐；液體管路；制冷過程；制冷劑供應(yīng)管路；蒸發(fā)器盤管；制冷劑返回管路；至少一個流動調(diào)節(jié)裝置；多個檢修閥(都是可選的)；多個電磁閥(都是可選的)；
壓縮機吸氣管路；可選的膨脹罐；具有油返回管路的油分離器；可選的除霜管路；以及液體噴射管路。
以下參照附圖來進一步詳細描述制冷系統(tǒng)的各個實施例。
圖1所示的是現(xiàn)有技術(shù)的深度低溫制冷系統(tǒng)100。制冷系統(tǒng)100是具有除霜功能的高效的深度低溫制冷系統(tǒng)。制冷系統(tǒng)100包括壓縮機102，該壓縮機經(jīng)排氣管路106連接到冷凝器104上。冷凝器104經(jīng)液體管路110連接到制冷過程108的供應(yīng)進口上。制冷過程108的供應(yīng)出口經(jīng)制冷劑供應(yīng)管路114與用戶安裝的蒸發(fā)器盤管112的進口相連。在制冷劑供應(yīng)管路114的位于制冷過程108和蒸發(fā)器盤管112之間的管路中，具有一流動調(diào)節(jié)裝置(FMD)116，其與電磁閥118相連。蒸發(fā)器盤管112的出口又經(jīng)制冷劑返回管路120與制冷過程108的返回進口相連。制冷過程108的返回出口經(jīng)壓縮機吸氣管路122返回到壓縮機102而使得該環(huán)路封閉。通常，制冷劑管路114、120和蒸發(fā)器盤管112是由用戶在現(xiàn)場進行安裝的。在替代結(jié)構(gòu)中，這些元件可集成到單個封裝單元中。
在制冷系統(tǒng)100中的除霜供應(yīng)回路按以下方式形成可選的油分離器128的入口在壓縮機102和冷凝器104之間的節(jié)點處與排氣管路106連接。油分離器128的第一出口與可選的電磁閥130的入口連接，該入口在電磁閥118與蒸發(fā)器盤管112之間的節(jié)點處經(jīng)除霜管路132與制冷劑供應(yīng)管路114連接。油分離器128的第二出口在制冷過程108和壓縮機102之間的節(jié)點處經(jīng)油返回管路134連接回到壓縮機吸氣管路122上。油分離器128是可選的，并且對其的需要取決于整個系統(tǒng)的設(shè)計。在替代實施例中，該油分離器用于離開壓縮機的全部流動。在另一替代結(jié)構(gòu)中，完全地省去該油分離器。主要的考慮是限制油在制冷系統(tǒng)中的濃度并且保持其溶解在液相的制冷劑中。
制冷系統(tǒng)100還包括可選的與壓縮機吸氣管路122連接的膨脹罐124。FMD(流動調(diào)節(jié)裝置)126串聯(lián)地布置在膨脹罐124與壓縮機吸氣管路122之間。依據(jù)整個系統(tǒng)的設(shè)計，膨脹罐124和相關(guān)的FMD126是可選的。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解可以在該系統(tǒng)具有該膨脹罐與省去該膨脹罐之間進行折衷選擇。
制冷過程108包括熱交換器136，相分離器138，熱交換器140，熱交換器142，和流動調(diào)節(jié)裝置(FMD)144。
經(jīng)過制冷過程108的供應(yīng)制冷劑的流動路徑如下熱交換器136的供應(yīng)進口與液體管路110相連，而熱交換器136的供應(yīng)出口與相分離器138的供應(yīng)進口相連。相分離器138的供應(yīng)出口連接到熱交換器140的供應(yīng)進口，而熱交換器140的供應(yīng)出口連接到熱交換器142的供應(yīng)進口，而熱交換器142的供應(yīng)出口連接到制冷劑供應(yīng)管路114上。
經(jīng)過制冷過程108的制冷劑返回路徑如下熱交換器142的返回進口與制冷劑返回管路120相連，熱交換器142的返回出口連接到熱交換器140的返回進口。熱交換器140的返回出口連接到熱交換器136的返回進口。熱交換器136的返回出口連接到吸氣管路122上。此外，相分離器138的第二出口與FMD144相連，該FMD144在熱交換器140和熱交換器142之間的節(jié)點處連接到制冷劑返回路徑中。
對于制冷過程108所示的特定結(jié)構(gòu)是一種可能的結(jié)構(gòu)。多種替代的結(jié)構(gòu)也是可以的。例如，熱交換器和相分離器的數(shù)量和彼此之間的關(guān)系的變型也是可能的。在一些情況下，根本不需要相分離器。主要的要求在于，該制冷過程在深度低溫范圍內(nèi)維持制冷量的提供(即在蒸發(fā)器排散熱量)。美國專利6502410詳細地描述了這些不同的結(jié)構(gòu)，其內(nèi)容在此通過引證引入。
在另一結(jié)構(gòu)中，制冷過程108提供了通過在一個或多個溫度時進行熱交換以便從第二流體例如氣體或液體(例如氮氣、空氣、或如Galden HT-70的液體傳熱劑)排散熱量的裝置。由于可能的溫度范圍較寬，因此可以在多個溫度而不是一個溫度下有效地從第二流體排散熱量。在一些結(jié)構(gòu)中，整個第二流體與從最冷溫度到最暖溫度的低壓制冷劑進行熱交換。在另一結(jié)構(gòu)中，這種熱量排散可用于使得氣體液化。另外，由于與蒸發(fā)器112的熱交換，因此出現(xiàn)了自第二流體的熱量排散以便冷卻和/或液化。
以上所述的制冷系統(tǒng)100的所有元件的相互連接可按流體連通方式來實現(xiàn)。
圖1中的示意圖示出了與單個蒸發(fā)器結(jié)合的制冷系統(tǒng)100。通常，該制冷系統(tǒng)可冷卻布置成串聯(lián)或并聯(lián)或蒸發(fā)器串聯(lián)并聯(lián)組合的多個蒸發(fā)器。
圖1所示的制冷系統(tǒng)具有單個壓縮機。通常，可使用多個壓縮機。這些壓縮機串聯(lián)布置，以便進一步使得該壓縮過程分成多個級。當串聯(lián)布置時，在壓縮機中的至少一個壓縮機中使用液體噴射。或者，壓縮機可并聯(lián)布置，以便基于冷卻的需要使得壓縮過程更經(jīng)濟。當并聯(lián)布置時，在壓縮機中的至少一個壓縮機中使用液體噴射。
在另一實施例中，該制冷系統(tǒng)布置成復(fù)疊形式，其包括至少兩個在不同溫度下工作的制冷系統(tǒng)，較高溫度的制冷過程接受來自較低溫度的制冷過程的熱量。只要制冷劑是包括通常沸點的差別至少為50攝氏度的兩種組分的混合物，該實施例覆蓋對于溫度級較高的復(fù)疊方式，并且該組合的制冷級的總效果在深度低溫范圍內(nèi)提供了制冷效果。
圖2A、2B、2C所示的渦旋式壓縮機適當?shù)赜米鲌D1所示的制冷系統(tǒng)100的壓縮機102。另外，圖2A、2B、2C所示的渦旋式壓縮機的使用還優(yōu)化了深度低溫制冷系統(tǒng)100的工作效率和緊湊尺寸，并且該渦旋式壓縮機適于與不易燃的、無氯的、無毒的、MR(混合制冷劑)混合物一起使用。
通常，渦旋式壓縮機消耗較多的電流，并且因此與其它壓縮機例如往復(fù)式壓縮機相比，對于以給定的流率、吸氣壓力、和排氣壓力來壓縮給定的制冷劑，渦旋式壓縮機需要更多的電力。渦旋式壓縮機的優(yōu)點在于比半封閉式壓縮機的水平面積小。本發(fā)明提供了一種通過改進壓縮機排氣溫度的控制來提高渦旋式壓縮機的效率的方法，因此制冷系統(tǒng)的設(shè)計者可使得由壓縮機排氣溫度限定強加的限制減至最小。
應(yīng)當注意，圖2A、2B、2C所示的渦旋式壓縮機的使用需要對于圖1所示的制冷系統(tǒng)作微小的變型。圖3示出了這種系統(tǒng)變型。
圖2A、2B、2C示出了本發(fā)明使用的在制冷應(yīng)用中通常使用的渦旋式壓縮機的兩個主要部件。渦旋式壓縮機200是在商業(yè)上可獲得的具有液體噴射裝置的渦旋式壓縮機，例如由Copeland Corporation(Sydney，OH)制造的Copeland Glacier Refrigeration Scroll(例如整個ZF系列)。
渦旋式壓縮機200包括靜止螺旋形部件(渦旋件)210，如圖2A所示，還包括移動的或轉(zhuǎn)動的渦旋件，如圖2B所示。渦旋件210和220具有相同形狀。渦旋件220旋轉(zhuǎn)180度并與渦旋件210配合，如圖2C所示。
渦旋式壓縮機200的渦旋件210和220配合在一起，以便形成新月形的氣體穴。更具體地說，如圖2所示，渦旋式壓縮機200還包括形成低壓穴的區(qū)域230、形成中間壓力穴的區(qū)域240、形成高壓力穴的區(qū)域250、以及形成中心排氣穴的區(qū)域260。區(qū)域230、240、250均具有(未標出的)互補區(qū)域，以便分別形成一對低壓穴、中間壓力穴、高壓力穴。這些所示的氣穴是示例性的。然而，因為該渦旋式壓縮機具有連續(xù)運動的特征，所以這些氣穴是由“快速移動”形式的渦旋運動產(chǎn)生的。
壓縮機的基本操作是制冷工業(yè)領(lǐng)域公知的，即吸入低壓低溫的制冷劑氣體并且將其壓縮成高壓高溫的制冷劑氣體。更具體地說，渦旋式壓縮機200的基本操作也是已知的，以下只簡單地描述。
在工作中，渦旋件210保持固定，而渦旋件220相對于渦旋件210轉(zhuǎn)動。當該螺旋運動持續(xù)時，低壓氣體進入外周(區(qū)域230)并且被吸入并受迫朝向渦旋式壓縮機200的中心，以便形成逐漸增高的氣體壓力，并從固定渦旋件210的區(qū)域260端口排出氣體。制冷劑氣體的多個穴同時地進行壓縮，以便朝向渦旋式壓縮機200的中心(區(qū)域250和260)形成更高的壓力，并且在整個渦旋轉(zhuǎn)動中提供平滑的、接近連續(xù)的循環(huán)。
在工作中，氣體容積減小，這意味著渦旋式壓縮機200進行內(nèi)壓縮。對于給定的成對的渦旋件，壓縮量取決于排氣端口的尺寸。與往復(fù)式壓縮機不同，渦旋式壓縮機200對于所產(chǎn)生的壓縮程度具有明確的限制，并且這涉及渦旋件210和220的形狀和尺寸。
使用渦旋式壓縮機200作為圖1所示的深度低溫制冷系統(tǒng)100的壓縮機102的優(yōu)點在于，與使用往復(fù)式壓縮機(例如螺桿式活塞式壓縮機)相比，渦旋式壓縮機200具有緊湊的垂直結(jié)構(gòu)，以便減小對于占地面積的要求；可以是完全無油的；使用了對于低振動和非常低的噪音進行均衡的旋轉(zhuǎn)運動；可構(gòu)造成不使用閥或其它摩擦部件；可以以高達例如10000rpm的高速來運行，并且沒有損害到安靜且高效的運行；
可以以具有競爭力的成本來制造；具有更高的容積效率；僅使用兩個主要部件，以便獲得非常高的可靠性；以及具有較低的摩擦速度，以便獲得低噪音和低磨損。
在實際中應(yīng)當注意，可使用不同形式的渦旋式壓縮機。在多種制冷過程中，該壓縮機可以用油來潤滑，并且在排氣管路中排出油。另外，渦旋式制冷壓縮機通常具有排氣閥，盡管作用在該閥上的力明顯比作用在往復(fù)式壓縮機排氣閥上的力小。
作為，本發(fā)明的第一實施例，圖3示出了深度低溫制冷系統(tǒng)300。制冷系統(tǒng)300與圖1所示的深度低溫制冷系統(tǒng)100相同，但只是用渦旋式壓縮機200代替了壓縮機102。制冷系統(tǒng)300還包括連接液體管路110(冷凝器104的輸出口)并返回到渦旋式壓縮機200(即渦旋式壓縮機200的渦旋件210、220)的液體噴射管路310。FMD320和可選的電磁閥321或其它流動控制裝置在液體噴射管路310中位于液體管路110和渦旋式壓縮機200之間。FMD320是常規(guī)的流動調(diào)節(jié)裝置，例如毛細管、孔口、帶有反饋的比例閥、或控制流動的任何節(jié)流元件。然而，對于深度低溫的應(yīng)用，其必須重新確定尺寸，以便對于冷卻區(qū)域提供最佳的氣體-蒸氣-液體流動。在FMD320是帶有反饋的比例閥的情況下，反饋回路通常使用排氣溫度作為反饋的主源，并且該系統(tǒng)以機械方式節(jié)流或借助附加的反饋回路來節(jié)流，以便防止在噴射的液體與中等壓縮的氣體混合之后液體形成在渦旋件內(nèi)。
需要電磁閥或其它流動控制裝置來防止壓縮機的滿液式啟動及其損壞。當壓縮機停機時該電磁閥必須關(guān)閉。在“停機”循環(huán)中電磁閥的故障可能導(dǎo)致液體制冷劑完全地充滿該渦旋件。如果在這種情況下再次提供電力，所產(chǎn)生的液壓作用將產(chǎn)生足以導(dǎo)致壓縮機永久損壞的壓力。然而，還可使用其它的防止渦旋件被液體充滿的裝置。本發(fā)明的基本原理在于，借助液體噴射來控制壓縮機排氣溫度。
返回到渦旋式壓縮機200的液體噴射管路310的必要性在于，在深度低溫制冷系統(tǒng)不使用含較低沸點的制冷劑的混合的制冷劑進行噴射的情況下，渦旋式壓縮機的排氣溫度可能達到180-200攝氏度。然而，渦旋式壓縮機200的安全工作的上限通常只在125-135攝氏度的范圍內(nèi)，(這是在檢修閥處測量的)，因此進行過量的冷卻是必需的。也就是說，排氣溫度的限制使得該系統(tǒng)設(shè)計者調(diào)節(jié)制冷劑的混合，以便減小低沸點制冷劑的百分比。低沸點制冷劑的下降使得系統(tǒng)的效率降低。借助液體噴射的排氣溫度的改進控制使得系統(tǒng)效率提高。由于相似的原因，標準制冷系統(tǒng)也使用液體噴射。然而，在這些現(xiàn)有技術(shù)的應(yīng)用中，該系統(tǒng)限制是不同的它們只需要涉及流率和工作狀況。在深度低溫制冷的情況下，制冷劑混合物組分是新的范圍，并且由于其沸點較高因此液體制冷劑的控制更困難。與現(xiàn)有技術(shù)相比，系統(tǒng)效率可通過使用液體噴射來提高。
另外，重要的是，由于液體制冷劑比蒸氣制冷劑更高效地冷卻渦旋式壓縮機200，因此基本上噴射液體制冷劑。當使用液體噴射時，液體噴射量必須限制為可確保在噴射的液體與部分壓縮的氣體混合之后液體不出現(xiàn)在渦旋件中。
對于深度低溫的混合制冷劑系統(tǒng)而言，對于液體噴射的要求比使用渦旋式壓縮機的常規(guī)制冷循環(huán)更重要。
這與使用單制冷劑或沸點差別相對接近的制冷劑混合物例如R-410A或R-404A的常規(guī)制冷系統(tǒng)相反。由于深度低溫的混合制冷劑系統(tǒng)的沸點的大差別，并且使用了沸點相對較高的沸點最高的組分，因此出現(xiàn)了制冷劑組分分離。這是因為深度低溫的混合制冷劑系統(tǒng)通常使用標準沸點為-15攝氏度或更高的制冷劑。當用于油潤滑的渦旋式壓縮機時，沸點較高的制冷劑往往聚集在壓縮機油池中。渦旋件的垂直結(jié)構(gòu)以及返回的吸入制冷劑直接進入壓縮機的油池中，這兩方面使得聚集在壓縮機油池中的沸點較高的制冷劑出現(xiàn)該分離效果。即使另外的沸點較高的制冷劑加入以便補償這種分離情況，當壓縮機運行時過度的排氣溫度狀況也將持續(xù)。這沒有以相同的方式影響到常規(guī)的制冷系統(tǒng)，這是因為其循環(huán)的流體組分保持大致不變。對于深度低溫的混合制冷劑系統(tǒng)的影響是從循環(huán)中除去了這些沸點較高的制冷劑。其影響在于，使得壓縮機排氣溫度升高并且使得制冷效率下降。
因此，液體噴射與特別構(gòu)成的混合制冷劑一起，可使得對于深度低溫的混合制冷系統(tǒng)可使用垂直的立式渦旋式壓縮機，并且可使得制冷效率比沒有液體噴射的情況可能獲得制冷效率高。
可將沒有液體噴射的渦旋式壓縮機應(yīng)用于深度低溫的混合制冷系統(tǒng)，如現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)所展示的。然而，缺少液體噴射將在確保良好的壓縮機可靠性的同時限制可使用的制冷劑組分的范圍。這將影響深度低溫的沸點的成分的最大組分，例如氬、氮、和R-14，或限制壓縮機吸氣或排氣壓力以及相關(guān)的壓縮比并且導(dǎo)致系統(tǒng)效率下降。
或者，沸點較高的制冷劑的組分可能受到限制，這使得由系統(tǒng)可排出的熱量下降。這使得在深度低溫下可排出的熱量下降，并且限制壓縮機運行時的壓力。因此，使用液體噴射使得對于深度低溫的混合制冷系統(tǒng)可使用垂直的立式渦旋式壓縮機，并且可以支持制冷系統(tǒng)的高性能水平，這在不使用液體噴射的情況下是不可能實現(xiàn)的。
為了確保絕大部分的液體制冷劑返回到渦旋式壓縮機200的液體管路，液體噴射管路310實體連接到液體管路110中是關(guān)鍵的。因為在自動復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的液體管路110中的制冷劑是蒸氣和/或氣體以及液體的混合物，所以液體噴射管路310必須以“T”形式進入液體管路110的水平部分的底部。此外，液體聚集罐可安裝在“T”部分與電磁閥之間以便確保較多液體成分的噴射流。這是因為液體制冷劑和蒸氣制冷劑盡管一起在液體管路110內(nèi)流動，但是它們沒有形成完全連續(xù)的均質(zhì)流。由于重力，液體聚集在作為液體聚集器的罐的底部。因此，含有較多液體成分的制冷劑經(jīng)液體噴射管路310返回到渦旋式壓縮機200。
在運行中，F(xiàn)MD320允許小部分的液體制冷劑流返回到渦旋式壓縮機200。該液體以中間壓力噴射到壓縮腔。該方法提供了自調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，以便增加/減小吸氣壓力，并且由此提供了吸入質(zhì)量流率和系統(tǒng)性能的變化。FMD320還降低了返回渦旋式壓縮機200的液體制冷劑的壓力，由此確保了對于這兩個方法的正量噴射。從液體管路110噴射到渦旋式壓縮機200中的液體制冷劑提供了對渦旋件210和220的冷卻，由此使得它們的溫度降低到安全的運行限制范圍內(nèi)。
沒有液體循環(huán)經(jīng)過渦旋件。如果少量的液體制冷劑到達壓縮腔并與熱的主流體流混合，則該少量的液體制冷劑快速地蒸發(fā)。冷卻效果主要在于在噴射通道中“冷”的蒸氣對流和蒸發(fā)式的熱量排散。在以中間壓力噴射液體的情況下，尤其如此，這是因為氣體已經(jīng)部分地由到達該點的壓縮過程加溫。
在環(huán)境溫度條件下，一些混合制冷劑可能具有較高的汽化熱，并且具有與例如R22、R134a、R404a的常規(guī)制冷劑相比更高的標準沸點。需要更大的加熱器輸入功率，以便防止在壓縮機在停機過程在油池中過多的制冷劑冷凝和液體形成。
所使用的油的類型對于任何壓縮機系統(tǒng)的良好應(yīng)用是重要的。特別是，與作為烷基苯和礦物油使用的以前的油相比，POE油已經(jīng)難以良好地應(yīng)用于各種壓縮機結(jié)構(gòu)中，包括與渦旋式壓縮機。發(fā)現(xiàn)一些油可有利地與噴射液體的渦旋式壓縮機一起使用，這些油例如是CPIEngineering(Midland Michigan)BVA Solest LT-32(在40攝氏度時大約32厘沲)，BVA Solest 120(在40攝氏度時大約120厘沲)。當然在該產(chǎn)品族中的其它產(chǎn)品和其它銷售商的相似黏度等級的其它POE油也應(yīng)當是有利的。
可與渦旋式壓縮機一起使用的烷基苯油的示例是ShrieveChemical(Texas)Zerol 150(在40攝氏度時大約28厘沲)。Zerol300應(yīng)當也是有利的。相似的，相似黏度等級的其它烷基苯油以及甚至黏度等級較低的尤其是與POE油一起使用的油應(yīng)當也是有利的。對于深度低溫制冷系統(tǒng)而言兩個沖突的要求是，壓縮機油必須潤滑移動的壓縮機部件，以便不出現(xiàn)明顯的磨損，并且該油必須與所使用的制冷劑相容，以便其在循環(huán)的任何位置保持液態(tài)。通常，選擇較高黏度的油可降低壓縮機磨損的可能性，但是將增大油與制冷劑在低溫下分離并堵塞管道、膨脹裝置、或控制閥的可能性。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，需要對所使用的特定的油-壓縮機-制冷劑的組合進行適當?shù)目煽啃栽u價。相似地，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，由于其涉及在系統(tǒng)內(nèi)的油控制因而需要對制冷系統(tǒng)進行適當?shù)目煽啃栽u價。
本發(fā)明披露了制冷劑和壓縮機油的多種可能的組合。這種制冷劑的示例可在市場上可獲得的現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)，例如IGCPolycold’S公司(Petaluma，CA)的PFC-550HC、PFC-552HC、PFC-551HC。此外，在美國專利6502410和6481223中披露了特定的制冷劑混合物及其限制，其內(nèi)容在此通過引證引入。
在使用Copeland Refrigeration公司的型號為ZF48K4E-TWD-551的渦旋式壓縮機的實驗中，使用Solest LT32與R-236fa、R-125、R-23、R-14和氬的組合，獲得到良好的可靠性。然而，用R-245fa來R-236fa導(dǎo)致壓縮機出現(xiàn)故障，因此表明對于該特定的混合物而言需要更高黏度的油。盡管低濃度的R-245fa與LT32的組合應(yīng)當是良好的且有利的。當進行較高黏度等級的實驗時，Solest 68與包含R-245fa的混合物一起使用。
還可使用另外的其它油-制冷劑組合。例如，烷基苯油可與無HCFC的制冷劑混合物一起使用。在這種情況下，該系統(tǒng)設(shè)計者必須對于油的控制更小心，以便防止在制冷系統(tǒng)的低溫階段出現(xiàn)過多的油。相似地，POE油可以與HCFC制冷劑一起使用，然而，對于POE油而言HCFC制冷劑具有更高的親合性，并且通常比HFC制冷劑使得油更細化。
在系統(tǒng)中所使用的特定的制冷劑混合物對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言是選擇的事項。需考慮的一些因素是與系統(tǒng)的其它部件的材料相容性、與壓縮機油的溶解性和可混和性、在低溫時的凍結(jié)性、系統(tǒng)效率、環(huán)境法規(guī)、毒性、可燃燒性等。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解這些因素的平衡的重要性。當這涉及本發(fā)明時，在混合物中的沸點較高的制冷劑與油的相互影響通常是非常關(guān)鍵的。通常所希望的是，該制冷劑具有較高的沸點溫度(-15到+40攝氏度)，大約為室溫，以便通過提供較高的周圍熱量排散率從而提高整個系統(tǒng)的效率。然而，較高的沸點溫度的制冷劑往往使得壓縮機油細化，并且使得由壓縮機油提供潤滑效果下降。
基于特定制冷劑混合物的(對于填充的重量百分比的)實驗，以下的組分范圍應(yīng)當是對于液體噴射有利的，R-236fa 20-45％R-1258-15％R-23 12-30％R-14 18-34％氬 6-15％使用Copeland的ZF48K4E-TWD壓縮機來進行混合物的實驗，該壓縮機使用在改進的類型為Polycold PFC-662的系統(tǒng)上，其中使用可進行液體噴射的渦旋式壓縮機以便代替半封閉式的往復(fù)式壓縮機。由該系統(tǒng)產(chǎn)生的溫度的范圍在106-160攝氏度內(nèi)，這取決于外在負荷和制冷劑混合物。所獲得的結(jié)果表明，液體噴射的使用使得這些系統(tǒng)的運行是可行的，但是這些相同的混合物不能在沒有液體噴射的情況下進行工作，這是由于在壓縮機熱過載的開始階段造成了過高的排氣溫度。這些結(jié)果強化了在此披露的系統(tǒng)與現(xiàn)有技術(shù)的區(qū)別。沸點較高的制冷劑的循環(huán)的控制使得這些混合物可被調(diào)節(jié)以便實現(xiàn)整體系統(tǒng)的更高的效率。
也可使用另外的其它制冷劑組合，這取決于制冷系統(tǒng)優(yōu)化的特定溫度。
一個示例為，應(yīng)當是有利的包含HCFC的混合物是美國專利6481223披露的包括R-123、R-124、R-125、R-218、R-23和/或乙烷、R-14和氬的混合物。
一個示例為，應(yīng)當是有利的無HCFC的混合物是美國專利6502410披露的包括R-4112、R-245fa、R-236fa、E-347、R-134a、R-125、R-218、R-23和/或乙烷、R-14和氬、氮、氖、氦的混合物。此外，還可包括其它的化合物例如甲烷、氧氣、氫氣、氙、和氪。
在此描述的實施例對于深度低溫的混合制冷劑系統(tǒng)是有利的，其中所使用的制冷劑混合物包括至少20％的沸點較高的制冷劑和15％的低沸點的制冷劑。各個制冷劑及其組份的各種組合接近無限多。通常，這些實施例的優(yōu)點隨沸點較高的制冷劑和/或低沸點的制冷劑的量的增加而增加，并且隨低沸點的制冷劑的沸點的降低而增加，并且隨沸點較高的制冷劑的沸點增加而增加。
可選的加熱器330以機械方式裝接到渦旋式壓縮機200的油池上。加熱器330是常規(guī)的例如由Omgea工程公司制造的曲柄箱加熱器或帶式加熱器。該加熱器在“停機”循環(huán)中接通，以便防止液體制冷劑聚集在油池中。如果在“滿液”狀態(tài)時重新施加電力，所產(chǎn)生的液壓作用可能產(chǎn)生足以導(dǎo)致壓縮機永久損壞的高壓。
本發(fā)明的深度低溫制冷系統(tǒng)使用在商業(yè)上可制造的帶有用于降低排氣溫度的液體噴射裝置和用于對油池加溫的加熱器的渦旋式壓縮機的效果在于，對于高效的運行進行了優(yōu)化。與使用常規(guī)的往復(fù)式壓縮機的制冷系統(tǒng)相比，其效果在于更緊湊的尺寸，并且適于與具有沸點較高的組分和低沸點組分的混合制冷劑(MR)一起使用。
在一個優(yōu)選實施例中，沸點較高的制冷劑的沸點限制在-15到+45攝氏度的范圍內(nèi)。
在該系統(tǒng)的另一實施例中，使用氣體噴射或氣體和液體混合物的噴射，以便在中間壓力下冷卻壓縮機。這應(yīng)當比液體噴射的有效性低，這是因為其損失了或減少了液體蒸發(fā)獲得的有效熱量排散。
在該系統(tǒng)的另一實施例中，壓縮機的液體噴射冷卻可與包括至少一種中等沸點的制冷劑和一種低沸點制冷劑的氣態(tài)混合物一起使用。
在該系統(tǒng)的另一實施例中，在壓縮機運行過程中接通可選的加熱器330。該加熱器可在替代結(jié)構(gòu)中使用，其中加熱器用于控制稀釋在壓縮機油中的液體制冷劑的量。在絕大多數(shù)情況下，液體噴射的使用固有地限制與壓縮機油混合的液體的量。然而，使用盡管通常是不希望的外部加熱器在一些場合中具有優(yōu)點。正常地，在壓縮機運行過程中的熱量加入將使得壓縮機排氣溫度升高。然而，一些制冷劑組分和壓縮機的組合在該結(jié)構(gòu)中是有利的，這是因為對油池的熱量加入防止了液體制冷劑聚集在壓縮機油池中，由此可通過降低循環(huán)的混合物的比熱的比率來降低排氣溫度。
因為在深度低溫的混合制冷劑的系統(tǒng)中存在多種可能的制冷劑組分以及可用的溫度，所以第一實施例的多種有利的變型是可行的。
權(quán)利要求
1.一種深度低溫制冷系統(tǒng)，其中a)壓縮機是渦旋式壓縮機，b)制冷劑以中間壓力從液體制冷劑管路噴射到該渦旋式壓縮機壓縮腔中，c)該制冷劑是多種組分制冷劑，其中該制冷劑的組分具有差別至少為50攝氏度的沸點，d)該制冷劑包含較高量的低沸點制冷劑。
2.如權(quán)利要求1所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于，還包括以機械方式裝接到渦旋式壓縮機的油池上的加熱器。
3.如權(quán)利要求1所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于，該噴射的制冷劑是氣態(tài)的或氣態(tài)和液態(tài)混合的制冷劑。
4.如權(quán)利要求1所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于，該噴射的制冷劑是液態(tài)制冷劑。
5.如權(quán)利要求4所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于，沒有液體循環(huán)經(jīng)過渦旋式壓縮機的渦旋件。
6.如權(quán)利要求4所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于，噴射到渦旋式壓縮機中的該液體制冷劑是從發(fā)自深度低溫的混合制冷劑系統(tǒng)的冷凝器的液體管路的水平部分的底部抽出的。
7.如權(quán)利要求6所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于，還包括在該液體制冷劑返回該渦旋式壓縮機的管路中的流動控制裝置。
8.如權(quán)利要求7所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于，還包括液體聚集罐，其安裝在該液體制冷劑返回該渦旋式壓縮機的管路中在與液體管路的連接與該流動控制裝置之間。
9.如權(quán)利要求4所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于，多種組分的制冷劑包含至少一種低沸點的制冷劑、至少一種中等沸點的制冷劑、和至少一種較高沸點的制冷劑。
10.如權(quán)利要求9所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于，多種組分的制冷劑包含每種低沸點的、中等沸點的、和較高沸點的制冷劑中的兩種或多種。
11.如權(quán)利要求9所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于，多種組分的制冷劑包含超過50％的低沸點的制冷劑。
12.如權(quán)利要求9所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于，多種組分的制冷劑包含大約20-45％的低沸點的制冷劑。
13.如權(quán)利要求9所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于，多種組分的制冷劑包含至少15％的低沸點的制冷劑。
14.如權(quán)利要求4所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于，該制冷劑是包括R-123、R-124、R-125、R-218、R-23和/或乙烷、和R-14的混合物。
15.如權(quán)利要求4所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于，該制冷劑是包括R-236fa、R-125、R-23、R-14和氬的混合物。
16.如權(quán)利要求16所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于，該制冷劑是包含以下的混合物，其中20-45％的R-236fa8-15％的R-12512-30％的R-2318-34％的R-146-15％的氬
17.一種在深度低溫制冷系統(tǒng)中降低離開渦旋式壓縮機的多種組分的制冷劑的溫度的方法，其包括將一定量的多種組分的制冷劑以中間壓力從液體管路噴射到該壓縮機的壓縮腔中。
全文摘要
一種帶有渦旋式壓縮機的且使用混合制冷劑的深度低溫或深冷制冷系統(tǒng)，借助將制冷劑噴射到壓縮機中來降低制冷劑排氣溫度。
文檔編號F04C18/02GK1685181SQ03822277
公開日2005年10月19日 申請日期2003年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月18日
發(fā)明者K·弗林, O·波德特切爾尼埃夫 申請人:赫力思科技公司