专利名称：节能式制冷系统的超临界压力控制的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种用于控制节能式制冷系统的高压分量的系统，其借助位于节能式热交换器与压缩机之间的级间收集器来控制处于该系统的高压分量中的制冷剂的量。
背景技术：
含氯的制冷剂由于其具有破坏臭氧的可能因此逐渐地被淘汰。碳氢化合物(HFC)已经作为替代制冷剂，但是这些制冷剂仍然具有增加全球温室效应的可能。还提出使用“天然”制冷剂例如二氧化碳和丙烷作为替代流体。不利的是，这些流体中的绝大多数在使用中存在问题。二氧化碳具有较低的临界点，这使得使用二氧化碳的空调系统实际在临界点之上运行，或在大多数情况下过临界运行。亚临界的流体的压力是在饱和状态下(当液体和蒸气都存在时)的温度的函数。然而，当流体的温度高于临界温度(超临界)时，压力是流体的密度的函数。
当蒸气压缩系统的运行是过临界的(transcritical)时，有利的是控制该系统的高压分量。通过控制该系统的高压分量，使得该系统的性能和/或效率处于受控状态并得到优化。
在现有技术中，蒸气压缩系统的高压分量借助调节处于气体冷却器的出口的膨胀阀来控制，这使得可控制该系统的性能和效率。还可使用吸入管路热交换器和存储容器来增加该系统的性能和效率。
还可通过使用节能器热交换器来使得离开散热的热交换器的液态制冷剂过冷，从而增加系统性能。在离开散热的热交换器之后，该制冷剂分为两个流动路径。节能器流动路径膨胀为低压，并且与在节能器热交换器内的主流动路径进行热交换。来自节能器流动路径的制冷剂注入到压缩机中。在主流动路径中的制冷剂借助主膨胀装置进行膨胀。通过使用节能器流动路径中的制冷剂进一步冷却主流动路径，从而降低了流向蒸发器的入口焓，以便增加了冷却能力。
发明内容
节能式的制冷系统包括压缩机、气体冷却器、主膨胀装置、蒸发器、和节能器热交换器。在气体冷却器中被冷却之后，制冷剂分成节能器流动路径和主流动路径。在节能器流动路径中的制冷剂在节能器膨胀装置中膨胀成低压并且与在节能器热交换器中的主流动路径内的制冷剂进行热交换。在节能器流动路径中的制冷剂返回到压缩机，或返回到多级式压缩过程的级间。在节能器热交换器与压缩机之间的收集器储存来自节能器热交换器的一定量的制冷剂，以便调节系统中的制冷剂的量，并且由此调节该系统的高压。优选的是，二氧化碳用做制冷剂。在主流动路径中的制冷剂借助主膨胀装置膨胀并且在蒸发器中被加热，以便完成该循环。通过控制该系统的高压，以便优化系统效率和性能。
借助控制储存在收集器内的制冷剂的量，并且由此控制该系统的制冷剂的量，从而控制该系统的高压。储存在收集器内的制冷剂的量借助操纵该节能器膨胀装置来控制。该气体冷却器中的高压由一控制器来监控，该控制器基于该系统的高压从而操纵该节能器膨胀装置。
如果该节能器膨胀装置稍微打开，较多的制冷剂流经节能器热交换器并且冷却在主流动路径中的制冷剂。当节能器流动路径中的制冷剂没有过热时，来自节能器热交换器的液态制冷剂聚集在收集器中，以便降低系统中的制冷剂量并降低系统的高压。如果该节能器膨胀装置稍微关闭，较少的制冷剂流经节能器热交换器，从而增加在节能器流动路径中的制冷剂的过热度。当节能器流动路径中的制冷剂过热时，较少的制冷剂聚集在收集器中，以便增加系统中的制冷剂量并增大系统中的高压。该主膨胀装置可用于在蒸发器之后或在第一级压缩之前控制吸气过热度。
通常参照以下的附图和当前的优选实施例，本领域的普通技术人员可容易地理解本发明的多个特征和优点。在附图中图1示出了使用节能器热交换器的现有技术的制冷系统的示意图；
图2示出了节能器循环和无节能器循环的压力和焓的关系图；和图3示出了本发明的使用收集器的节能式系统。
具体实施例方式
图1示意地示出了现有技术的制冷系统20。该系统20包括压缩机22、散热的热交换器(作为过临界循环的气体冷却器)24、主膨胀装置26、和吸热的热交换器(蒸发器)28、以及节能器热交换器30。制冷剂循环经过封闭回路的循环系统20。制冷剂以高压且高焓经排气端口42离开压缩机22。该制冷剂流经气体冷却器24，并且该制冷剂的热量散失，以便以低焓且高压离开。随后，该制冷剂分流为两个流动路径32和34。在节能器流动路径34中的制冷剂在节能器膨胀装置36中膨胀为低压，并且与位于节能器热交换器30内的主流动路径32中的制冷剂进行热交换，以便冷却在主流动路径32中的制冷剂。在节能器流动路径34中的制冷剂沿节能器返回路径56经节能器端口38以吸气压力和排气压力之间的一压力返回到压缩机22。在主流动路径32中的制冷剂借助主膨胀装置26膨胀，并且随后在蒸发器28中被加热。该制冷剂随后经吸气端口40进入压缩机22，并且与来自返回路径56的制冷剂混合。
优选的是，二氧化碳用做制冷剂。尽管参照二氧化碳进行描述，但是也可使用其它的制冷剂。由于二氧化碳具有较低的临界点，因此使用二氧化碳作为制冷剂的系统通常需要该系统20以过临界方式运行。当该系统20以过临界方式运行时，有利的是控制该系统20的高压分量。通过控制该系统20的高压分量，从而控制且优化该系统20的性能和/或效率。
图2示出了节能式循环和无节能式循环的热力关系图。在无节能式系统中，制冷剂以高压且高焓离开压缩机22，如图中的点A所示。当制冷剂以高压流经气体冷却器24时，该制冷剂的热量和焓散失，以便以低焓且高压离开气体冷却器24，如点B所示。当制冷剂流经膨胀阀26时，压力降低，如点C所示。在膨胀之后，制冷剂流经蒸发器28并且以高焓且低压离开，如点D所示。在制冷剂流经压缩机22时，该制冷剂再次处于高压和高焓以便完成该循环。
在节能式循环中，离开散热的热交换器24的流动在点B处分成两个部分。流动34的一个部分膨胀为较低的压力和温度，如点E所示。接着，该流动与在节能器热交换器30中的主流动32进行热交换。主流动32在点B’处离开节能器热交换器30，同时节能器流动在点F处离开。主流动接着膨胀为较低的压力和温度，如点C’所示。该流动流经蒸发器28以便到达点D。主流动随后在压缩机22中被压缩。在压缩过程中，或在多级式压缩过程的级间，来自点F的节能器流动加入，以便将主流动的温度降低到点G，并且使得压缩过程在点A’而不是在点A处结束，以便完成该循环。
该系统20的高压是在气体冷却器24中的制冷剂的温度和密度的函数。由于密度是质量和体积的函数，并且在气体冷却器24中体积通常不改变，因此在气体冷却器24中的高压只是气体冷却器24中的制冷剂质量和温度的函数。因此，通过控制气体冷却器24中的制冷剂的质量，可控制该系统20的高压。
图3示出了本发明的系统20。该系统20还包括级间的收集器44，其位于节能器热交换器30与压缩机22的节能器端口38之间，以便储存制冷剂。如果在该系统20中的净流动流入到收集器44中，则较少的制冷剂循环经过该系统20，并且如果吸气过热度保持恒定的话，气体冷却器24的压力将下降。或者，如果在该系统20中的净流动流出收集器44，则较多的制冷剂循环经过该系统20，并且如果吸气过热度保持恒定的话，气体冷却器24的压力将增高。
主膨胀装置26控制流向蒸发器28的主流动路径32，并且由此控制压缩机22的吸气过热度。如果主膨胀装置26稍微打开，则较多的制冷剂流经蒸发器28，并且在压缩机22处的吸气过热度下降。如果主膨胀装置26稍微关闭，则较少的制冷剂流经蒸发器28，并且在压缩机22的吸气端口40处的过热度增加。
节能器膨胀装置36控制节能器流动路径34并且由此控制该系统20中的高压。在节能器流动路径56中的过热度由节能器热交换器30的初始尺寸和流经节能器流动路径34的制冷剂流动来控制，流经节能器流动路径34的制冷剂流动由节能器膨胀装置36来控制。如果在节能器流动路径56中的过热度是正的，则制冷剂的净流动流出收集器44，这使得高压升高。通过调节节能器膨胀装置36，可控制在收集器44中的制冷剂的量，由此可控制在该系统20中的制冷剂的量。
如果节能器膨胀装置36稍微打开，则较多的制冷剂流经节能器热交换器30并冷却在主流动路径32中的制冷剂，从而使得在节能器端38出的过热度降低。在该系统20中的制冷剂的量下降，这使得该系统20的高压下降。
即使液态制冷剂聚集在收集器44中，压缩机22将继续从收集器44中吸取制冷剂。因此，离开节能器热交换器30的节能器流动路径56必须是饱和的以便保持进入收集器44的流动与离开收集器44的流动之间的平衡。如果该流动是饱和的，则节能器热交换器30的流动的质量将减小，这使得制冷剂流入收集器44，以便降低高压。如果该流动不是饱和的，则在气体冷却器24中的制冷剂最终将来自于收集器44并且流入该系统20，这使得高压升高。
如果节能器膨胀装置36稍微关闭，则较少的制冷剂流经节能器热交换器30并增加了在节能器流动路径56中的制冷剂的过热度。由于节能器流动路径56中的制冷剂是过热的，因此较少的制冷剂聚集在收集器44中，这使得在该系统20中的制冷剂的量增加，并使得该系统20的高压升高。
在气体冷却器24中的高压由控制器46来监控。如果控制器46检测到气体冷却器24中的高压过高，则控制器46打开节能器膨胀装置36，以便使得来自气体冷却器24的制冷剂流经节能器热交换器30并进入收集器44，从而降低高压。或者。如果控制器46检测到气体冷却器24中的高压过低，则控制器46关闭节能器膨胀装置36，以便防止来自气体冷却器24的制冷剂流经节能器热交换器30并进入收集器44，从而增大高压。
借助主膨胀装置26的控制，即，或是借助例如TXV阀(热力膨胀阀)的热力机械装置或是借助传感器的控制，从而还可控制在蒸发器28的出口处的过热度。尽管本发明是参照在制冷剂流经节能器热交换器30之前分成主流动路径32和节能式流动路径34来进行描述和图示的，但是应当理解离开气体冷却器24的整个流动还可以在分成主流动路径32和节能式流动路径34之前流经节能器热交换器30。
还应当理解，尽管所描述且示出的是单级压缩机22，但是当采用多个压缩机时还可以使用多级压缩式系统。
以上的描述仅是本发明原理的示例。虽然已示出并描述了本发明的基本特征，但是应该理解的是，在不脱离本发明精神或保护范围的前提下，本领域中普通技术人员可作出各种替代、修正、和改变。因此，所有这些修正或改变都包含在以下权利要求中所限定的本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种制冷系统，其包括用于将制冷剂压缩到高压的压缩机；用于冷却该制冷剂的散热的热交换器；节能器热交换器，该制冷剂被分成主流程和节能式流程，该主流程在节能器膨胀装置中减至低压，在所述节能器热交换器中该主流程中的所述制冷剂与在所述节能式流程中的所述制冷剂之间进行热交换，所述节能式流程返回到该压缩机，并且所述主流程流向主膨胀装置；位于该节能器热交换器与该压缩机之间以便储存有一充注量的收集器；该主膨胀装置用于在该主流程中将所述制冷剂减至低压；和用于使得所述制冷剂蒸发的吸热的热交换器。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述制冷剂是二氧化碳。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，当在该收集器中的所述充注量降低时所述高压增大。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，当在该收集器中的所述充注量增大时所述高压降低。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，当该主膨胀装置打开时，流经该吸热的热交换器的所述制冷剂的量增大。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，当该主膨胀装置关闭时，流经该吸热的热交换器的所述制冷剂的量降低。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，在该收集器中的所述充注量由所述制冷剂在该节能器流动路径中被加热的程度来控制。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，在该收集器中的所述充注量由该节能器膨胀装置来控制。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，当该节能器流动路径中的所述制冷剂没有过热时，在该收集器中的所述充注量增加，从而使得所述高压下降。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，在该收集器中的所述制冷剂是液态的。
11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，当该节能器流动路径中的所述制冷剂过热时，在该收集器中的所述充注量减少，从而使得所述高压增大。
12.如权利要求1所述的系统，其特征在于，在该系统中的所述高压由控制器来监控。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，当该控制器检测到该系统中的该高压高于所需的高压时，该控制器打开该节能器膨胀装置，以便降低所述高压。
14.如权利要求12所述的系统，其特征在于，当该控制器检测到该系统中的该高压低于所需的高压时，该控制器关闭该节能器膨胀装置，以便增大所述高压。
15.一种控制制冷系统的高压的方法，其包括以下步骤将制冷剂压缩到所述高压；冷却该制冷剂；将该制冷剂分成主流程和节能式流程；在该节能式流程中使得所述制冷剂膨胀；使得该主流程中的所述制冷剂与在所述节能式流程中的所述制冷剂之间进行热交换；使得所述节能式流程中的所述制冷剂沿返回管路返回到所述压缩步骤并且使得该主流程中的所述制冷剂流向膨胀步骤；储存一来自所述返回管路的所述充注量；使得所述制冷剂膨胀到低压；使得所述制冷剂蒸发；和调节来自该储存步骤的所述充注量，以便控制所述系统的所述高压。
全文摘要
节能式的制冷系统包括压缩机(22)、气体冷却器(24)、主膨胀装置(26)、蒸发器(28)。在冷却之后，制冷剂分成节能器流动路径(34)和主流动路径(32)。在节能器流动路径(34)中的制冷剂膨胀成低压并且与在节能器热交换器(30)中的主流动路径内的制冷剂进行热交换。在主流动路径(32)中的制冷剂随后膨胀，并且在蒸发器(28)中被加热，以便进入压缩机(22)从而完成循环。在节能器热交换器(30)与压缩机(22)之间的收集器(44)储存系统中的过多的制冷剂，以便调节系统中的制冷剂的量，并且由此调节该系统的高压。通过调节收集器(44)中的制冷剂的量，可控制该系统的制冷剂量和系统的高压。
文档编号F25B43/00GK1806151SQ200480016436
公开日2006年7月19日 申请日期2004年5月27日 优先权日2003年6月11日
发明者T·H·西内尔 申请人:开利公司