制冷系统的制作方法

专利名称：制冷系统的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及带有热交换器的制冷系统，尤其但不限于用在汽车中的跨临界系统，例如以CO2空调器的形式。
背景技术：
闭合循环制冷/热泵系统通常采用压缩机，这就意味着在相对低的压力下吸入气态制冷剂，并在相对高的压力下释放出热制冷剂。如果压力和温度高于临界点的压力和温度，热制冷剂随后在气体冷却器中冷却，否则冷凝成液体，因此该气体冷却器称为冷凝器。“临界点”是由温度和压力定义的纯物质的物理性质。高于临界点时，该物质处于超临界状态，并包含一种既不是气体也不是液体的超临界流体。
典型地包括一个膨胀阀或者有时可能包括一根或多根毛细管的膨胀设备连同压缩机，将系统分为高压侧和低压侧。工作流体经由膨胀设备进入蒸发器，并且在流经膨胀设备的同时进行膨胀和冷却。该流体一般以富液体的状态进入蒸发器，而后吸收热量并蒸发。在一些处于低热负荷的工作条件下，不可能所有的液体都蒸发。一定量的液态制冷剂用于稀释循环油，并将它们带回压缩机。然而，大量的液体是不符合要求的，因为如果大量液态制冷剂进入压缩机，会降低系统效率，并严重损坏压缩机(被认为是“液击”)。因此，优选的是在蒸发器和压缩机之间设置一个储液器，用于分离蒸汽和液体，并储存多余的液体。储液器具有收集液体并将一定量的液体回流至压缩机的计量功能，这就防止了液击，并控制了回油。这一点在汽车空调系统中尤为重要，由于变化的动态运行条件，汽车空调系统中会经常出现液态制冷剂的波动。此外，因为不需要传统运行的蒸发器中使用的干式盘管，所以储液器的使用可以提高蒸发器的效率。
跨临界制冷系统在跨过制冷剂的临界点的温度和压力范围内运行。在这些系统中，对于临界温度较低的制冷剂，例如临界温度为31.7℃的二氧化碳，就难于具有高的比冷却能力，这严重阻碍了高性能系数(COP)的获得。为了克服这一局限，使用了内部热交换器，用于交换不同部件的制冷剂之间的热量；其中一个连接冷凝器/气体冷却器和膨胀设备，另一个连接蒸发器和压缩机。该方法在美国专利No.5,245,833、6,523,365和6,681,597中进行了描述。
已知制冷系统的另一特征是在储液器-热交换器系统中包括膨胀器(美国专利Nos.5,622,055和6,530,230)。然而，在美国专利6,530,230中，膨胀设备简单地装配在储液器-热交换器的入口处，而不是功能性地集成一体。
在美国专利5,622,055中，膨胀器、热交换器和储液器组装在一个罐中。然而，这些开发仅仅集中于亚临界制冷剂，并没有考虑跨/超临界替代方案的特性；因此，发生在跨-亚临界系统中的超临界流体向液体的相变没有在膨胀器的设计中考虑。此外，需要把毛细盘管浸入储液器的液相中。这不会增加比冷却能力，同时所需的额外循环制冷剂还将消耗更多的能量。因此，整个系统的性能可能不会得到显著的改善。而且，从蒸发器出口和压缩机(包括储液器)入口之间的环境中吸收的热量将降低系统的COP。

发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于制冷系统的装置，包括具有用于容纳制冷剂的室的储液器、位于所述室内部的外壳，所述外壳由外壳壁限定且具有流体入口和流体出口，以及用于膨胀制冷剂且设置在所述外壳内部的膨胀器，其中所述膨胀器包括用于从中输送制冷剂的管，所述管在其长度的至少一部分中具有管阻，以在沿程的流体中产生压降。
在该配置中，膨胀设备包括其管壁提供热交换面的管，以致，例如，经由膨胀管流入制冷系统的蒸发器的制冷剂可以与由蒸发器流入压缩机的制冷剂进行热交换。将膨胀管至少部分地设置在储液器室中外壳的内部使膨胀管与储液器室内的液态制冷剂隔离，并允许流经该管的制冷剂主要与来自制冷系统的蒸发器的气态和/或两相制冷剂进行热交换。该配置同时避免了对独立膨胀设备的需求，从而使制冷系统更紧凑，也促进了有助于防止液态制冷剂流入压缩机的热交换过程。该配置还减少了储液器中液态制冷剂的蒸发，以致蒸发器中能够得到更多的液体，因此提高了制冷系统的效率和冷却能力。由于该系统不依靠与储液器中液态制冷剂的任何热交换，因此该配置尤其适合使用其液化比其它传统制冷剂更困难的超临界制冷剂，例如CO2。
在一些实施方案中，该管具有管阻，其中管阻分布于该管在外壳内长度的大部分，在一个实施方案中可以包括毛细管。通常，膨胀管提供足够的管阻以在沿程的流体中产生用于导入蒸发器的充足压降。
在一些实施方案中，该装置还包括用于将制冷剂液体与制冷剂气体分离以及用于将制冷剂气态导入外壳入口的分离装置。该分离装置可以包括用于将流体导入室内的流体入口，该入口设置成防止流经入口的流体直接流入外壳入口。这样，液体可以汇集在室的下部，同时气态制冷剂可以从液体上部的空间吸入外壳入口。
在一些实施方案中，外壳制成管的形式，膨胀管沿外壳管的长度延伸，以致来自室内的气态和/或两相制冷剂在管的表面上流动，以促进与流经膨胀管的高压制冷剂的热交换。
在一些实施方案中，该装置还可以包括一个膨胀设备，该膨胀设备限定一个或多个节流孔，可调节其大小以提高流体流动的管阻至超过由膨胀器管提供的管阻。有利的是，对该组合的总管阻有贡献的孔式膨胀设备的增置使膨胀器管的管阻能够减轻或减少。这又使膨胀器管的横截面积以至表面积增加，从而促进了与由蒸发器流入制冷系统的压缩机的制冷剂之间的热交换。作为选择方案，或除此之外，这种配置也允许膨胀器管的长度缩短，因此使膨胀器管能够更紧凑。
在一些实施方案中，该装置还包括阀装置，用于将膨胀设备的至少一个孔的大小。有利的是，这使该组合膨胀器的管阻以至蒸发器入口处的制冷剂温度得到控制。因此，阀设备使制冷系统的冷却能力能够独立于压缩机速度进行控制。这对压缩机由发动机驱动以至压缩机速度取决于汽车速度的汽车空调系统尤其有利。例如，当汽车怠速但系统的热负荷可能保持不变时，压缩机速度将很低。在这种情况下，由较低压缩机速度引起的冷却能力的降低可以通过控制阀设备来补偿，以增加通过组合膨胀器的压降，从而降低蒸发器入口处的制冷剂温度，提高系统的冷却能力。
在一些实施方案中，阀设备响应于一个参数例如温度或压力，来改变孔的大小。阀设备可以包括随其温度的变化而移动的结构。有利的是，这使阀设备能够根据局部温度的变化，例如蒸发器入口处温度的变化而自动打开或关闭。
在一些实施方案中，该结构包括能够沿其长度呈现弯曲的组件，其中所呈现弯曲的张紧度随温度变化，以致弯曲的张紧张在穿过该孔的平面内变化。有利的是，这种配置提供一种用于操作该孔阀的紧凑且结实的装置。
在一些实施方案中，该组件包括包含第一材料的第一组件和包含第二材料的第二组件，其中第一材料的热膨胀系数与第二材料的不同，并且两个组件并排地设置在平面内。在一些实施方案中，组件包括成螺旋形式的细长带。
在一些实施方案中，该装置进一步包括用于将流体从储液器输送至压缩机的另外的管和用于将流体从压缩机输送至储液器的返回管，其中另外的管和返回管之间存在热交换关系。这种配置允许在储液器和压缩机之间(例如系统的冷却器/冷凝器和储液器之间)的制冷剂回路部分中流入压缩机的流体和流出压缩机的流体之间发生额外的热交换，以提高系统的效率。另外的管和返回管可以彼此接触和/或一根管可以位于另一根管的内部，以实现从中流过的流体之间的热交换。在一些实施方案中，返回管可以在沿其长度的至少一部分提供管阻，例如可以包括毛细管，并且可以仅仅是储液器室内的膨胀器管的延伸。在另一实施方案中，可以完全去掉储液器，该配置可以简单地包括具有热交换关系的两根管，其中一根管输送流体到蒸发器，另一根管则将流体从蒸发器输送至压缩机。在一个实施方案中，输送流体到蒸发器的管的至少一部分可以包括膨胀管，即实现流体的膨胀且沿其长度的至少一部分具有管阻的管，以在沿程的流体中产生压降。该实施方案可以另外与膨胀设备结合。另一方面，输送流体到蒸发器的管可以不进行流体膨胀或稍微进行流体膨胀，并且可以在该管和蒸发器之间设置单独的膨胀设备。
有利的是，该配置提供一种简单的热交换器，使热量能够在流入和流出制冷系统的蒸发器的流体之间进行交换。
根据本发明的另一方面，提供一种用于制冷系统的装置，包括具有用于容纳制冷剂的室的储液器；用于膨胀制冷剂且设置在所述室内部的膨胀器，其中所述膨胀器包括用于在其中输送制冷剂的管，所述管在其长度的至少一部分中具有管阻，以在沿程的流体中产生压降，其中所述管布置在所述室的内部，以致所述室内的管的大部分表面积用于与气态和/或两相制冷剂发生热交换。
在该实施方案中，该管作为膨胀设备，同时布置成主要在流入蒸发器的制冷剂和从蒸发器流入制冷系统的压缩机的气态或两相制冷剂之间进行热交换。在该实施方案中，该管布置成管的大部分表面积位于室的上部或室内液态制冷剂的液面上方，以致主要与气态和/或两相制冷剂进行热交换。
在一些实施方案中，该装置还包括位于室内部的外壳，该外壳由外壳壁限定，具有流体入口和流体出口，其中该管的大部分表面与外壳内部之间存在热交换关系。
在一些实施方案中，膨胀器管设置在外壳的内部。
在一些实施方案中，该外壳包括一根管。有利的是，该管提供一种引导来自蒸发器的流体沿膨胀管流动的装置，所以来自蒸发器的流体可以不断地吸收热量并可能提高温度，以致进入压缩机的流体处于过热状态而不是饱和状态。
根据本发明的另一方面，提供一种用于制冷系统的装置，包括具有用于容纳制冷剂的室的储液器和用于膨胀制冷剂的膨胀设备，该膨胀设备包括用于在其中输送流体且设置成与所述室内的制冷剂发生热交换的管，所述管在其长度的至少一部分中具有管阻，以在沿程的流体中产生压降，所述膨胀设备进一步包括用于限定一个或多个节流孔的装置，调节孔的大小以提高流体流动的管阻至超过由所述管提供的管阻。
在该实施方案中，用于膨胀制冷剂的膨胀器包括具有在沿程的流体中产生压降的管阻的管和限定一个或多个也提供管阻的节流孔的装置的组合。由于管阻分布在膨胀管和孔式膨胀设备之间，因此与膨胀设备只包括膨胀管的实施方案相比，该膨胀管的管阻可以减少或减轻。这就使膨胀管的横截面积以至表面积增加，从而增加了可能发生热交换的表面积，最终提高了效率。
在一些实施方案中，该装置进一步包括用于改变至少一个节流孔大小的阀设备。
根据本发明的另一方面，提供一种用于制冷系统的装置，包括具有用于容纳制冷剂的室的储液器，用于膨胀制冷剂且包括用于从中输送流体的管的膨胀器，所述管在其长度的至少一部分具有管阻以在沿程的流体中产生压降，以及用于控制膨胀器管阻的控制设备。
在该实施方案中，膨胀器包括有利地使膨胀器进行热交换以及使进入蒸发器的制冷剂膨胀的管，以及控制设备可以控制膨胀器的管阻，从而使蒸发器入口处的制冷剂温度和蒸发器的冷却能力能够得到控制。
在一些实施方案中，控制设备包括用于控制其中流体流动的阀设备。
在一些实施方案中，该装置进一步包括由外壳壁限定且具有流体入口和流体出口的外壳，其中膨胀器管设置在外壳内部。该配置使储液器内的液体和膨胀管内的制冷剂之间的热交换减少，同时促进了与来自蒸发器的气态和/或两相制冷剂的热交换，从而可以在流体进入压缩机之前除掉来自蒸发器的制冷剂中的液体。
根据本发明的另一方面，提供一种制冷系统，包括蒸发器、压缩机、用于将在压缩机中被压缩的流体输送至蒸发器的第一管和用于将流体从蒸发器输送至压缩机的第二管，其中所述第一管和第二管之间存在热交换关系，所述第一管沿其长度的至少一部分具有管阻，用于在所述流体流向所述蒸发器时膨胀所述流体。
根据本发明的另一方面，提供一种制冷系统，包括蒸发器、压缩机、用于将在压缩机中被压缩的流体输送至蒸发器的第一管和用于将流体从蒸发器输送至压缩机的第二管，其中第一和第二管之间存在热交换关系，并且在该系统的蒸发器和压缩机之间没有储液器。
根据本发明的另一方面，提供一种用于制冷系统的膨胀设备，该膨胀设备具有一个或多个节流孔、用于改变至少一个节流孔的大小的阀设备，其中该阀设备包括能够沿其长度呈现弯曲的组件，并且其中所呈现弯曲的张紧度随温度变化，以致该弯曲的张紧度在穿过孔的平面内变化。
在一些实施方案中，该组件包括包含第一材料的第一组件和包含第二材料的第二组件，其中第一材料的热膨胀系数与第二材料的不同，并且两个组件并排地设置在平面内。
在一些实施方案中，该组件包括成螺旋形式的细长带。
在一些实施方案中，该组件设置成重叠在节流孔上以根据温度的变化改变节流孔的大小。
本发明的一个实施方案提供一种整体式储液器-膨胀器-热交换器。在一些实施方案中，储液器的特征在于具有三个区气相区、液相区和两相区。从能量利用的角度来看，膨胀管应当设置在储液器-膨胀器-热交换器的两相区和/或气相区，以加热制冷剂使其温度接近或高于环境温度，因此该系统向外界环境的不可逆损失减小，同时更高的比冷却能力将提高系统的COP。在本发明的一些实施方案中，膨胀管可以浸入液体中，但优选的是与两相和/或气相流体进行热交换。过热气体随后可以供入压缩机。
根据本发明的实施方案，相对于用于导入蒸发器的传统循环，来自高温侧的高温制冷剂在穿过膨胀管的流程中被过冷至更低温度，膨胀管还同时实现了制冷剂向更低品质(液体更多)状态的膨胀。此外，这导致在蒸发器或储液器-膨胀器-热交换器内产生的气态制冷剂以更高品质或者甚至是过热气体的状态返回压缩机，这将提高压缩机的COP。
该制冷系统主要用在冰箱、冷冻装置、空调和热泵中，尤其用在汽车空调系统中，但也可以用于任何其他的系统中。


现在将参照附图来描述本发明的实施方案，其中图1是传统空调系统的示意流程图；图2是使用带内部热交换器的储液器的已知空调系统的示意流程图；图3是使用本发明实施方案的整体式储液器-膨胀器-热交换器的空调系统(可能用于冷却或加热)的示意流程图；图4是本发明第一实施方案的整体式储液器-膨胀器-热交换器的剖视图；图5是本发明第二实施方案的整体式储液器-膨胀器-热交换器的剖视图；图6是本发明第三实施方案的整体式储液器-膨胀器-热交换器的剖视图；图7是本发明第四实施方案的整体式储液器-膨胀器-热交换器的剖视图；图8A是本发明实施方案的热交换器的部分俯视图；图8B是本发明另一实施方案的热交换器的部分剖视图；图9显示了根据本发明另一实施方案的整体式储液器-膨胀器-热交换器的剖视图；图10A显示了根据本发明实施方案的阀的俯视图；以及图10B显示了图10A中所示阀沿A-A线的横截面。
具体实施例方式
在图1的传统空调系统5中，液态制冷剂储存在储液器11中，从而以气态-液态的两相形式吸入压缩机12的入口。压缩机12输出高温高压的制冷剂气体(即比周围环境高的多)到冷凝器/气体冷却器14，在那里气体被冷却并且/或者典型地部分转变为液态。冷凝器14流出的制冷剂流体(仍然处于高压下)经过膨胀设备22后膨胀至较低的压力，由此经历了温度的陡降；随后低温低压的流体在蒸发器18中蒸发，从那里它又以液体和气体的混合流形式返回储液器11。根据系统的负荷，或多或少的制冷剂流体被冷凝和蒸发；超出系统瞬时需求的制冷剂以液态形式储存在储液器11中。压缩机、冷凝器、膨胀设备和蒸发器连同连接这些部件的管道形成制冷系统的制冷剂回路。
图2显示了一种使用带内部热交换器13的储液器的已知空调系统3，它对图1的传统系统5进行了改进，引导冷凝器14输出的部分冷却制冷剂流体流经储液器13中的热交换盘管16。
图3中显示的本发明实施方案的空调系统1，通常包括通过管道布置操作性地连接在一起的传统制冷剂压缩机12、冷凝器14和蒸发器18，该管道布置包括设置在冷凝器14和蒸发器18之间且位于整体式储液器-膨胀器-热交换器组件10内部的一段毛细管或导管20。
图3中所示实施方案对图2的系统进行了改进，它利用设置在储液器10中的毛细管20实现图2中所示内部热交换器16和膨胀设备22的功能。如下文中更详细的描述，毛细管20设置在一内管中，并优选不接触储液器10中的制冷剂液体，而是定位成与由压缩机12从储液器10中抽出的制冷剂蒸气-液体两相混合物和/或制冷剂气体接触。毛细管20的作用是为高压制冷剂的预冷提供热交换界面，以及确保送入压缩机12的制冷剂的完全蒸发。
储液器10实施方案的结构更清楚地显示在图4中，它包括圆柱形容器24，其上端被圆盘形顶部配件26盖住并优选密封住。本发明的其他实施方案考虑了容器24和顶部配件26的其他形状以及其他密封手段。容器24和顶部配件26一起限定出室27，室27包括多个安装以下连接件的孔低压入口28，用于输送来自蒸发器的制冷剂流体；低压出口30，制冷剂气体经由它从储液器流入压缩机12；高压入口32和低压(膨胀后)出口34，它们与毛细管20连通，用于将来自冷凝器/气体冷却器14的制冷剂流体输送到蒸发器18。顶部配件26上的低压入口28、低压出口30、高压入口32和高压出口34可以根据顶部配件26的空间和制造的方便以任何适当的排列或布局设置。
容器24优选具有可以形成在室27的底部中心区域的贮槽50。贮槽50收集和贮存用于润滑制冷系统的压缩机和其他设备的油。
在本实施方案中成具有蒸气进入端38和低压排出端39的管36形式的外壳位于圆柱形容器24内部。在本实施方案中，管36是由两根纵向半管在毛细管20插入管36后焊在一起形成的铝质圆柱形J-管。然而，管36可以具有任何其它期望的形状，包括直线形，并且可以用任何适合的材料例如不锈钢或铜，或聚合材料例如塑料制成。短管40围绕低压出口端39连接(例如焊接)在管36的外侧，用于在毛细管20插入管36后将管36的两部分焊在一起。管36通常从低压出口30垂直延伸至容器24的底部，并在其最低点42的区域弯曲。管36从最低点42向上延伸至入口端38。管36进一步优选在管的弯曲部具有一个或多个油渗出孔44，使得少量的油从贮槽50渗出进入管内，与气态制冷剂混合。
毛细管20位于容器24内，其一端29与高压入口32连接，另一端31与高压出口34连接。毛细管20从邻近低压出口端39进入管36，同时从邻近蒸气入口端38的管36引出，因此毛细管20基本上全部布置在管36内部。这有助于确保毛细管直接与气态/两相制冷剂而不是液态制冷剂接触，以及确保制冷剂沿毛细管长度的大部分流动以促进有效的热交换。管36优选50％浸入液态制冷剂，但是该量可以发生很大的改变，这取决于例如系统的热负荷和运行这些因素。管36内部存在混有少量从渗出孔44进入的液体的气态制冷剂。
毛细管20可以具有任何期望的截面形状，例如圆形、椭圆形、矩形或其他形状。毛细管20可以具有任何期望的外形，例如波形、螺旋线和直线形或任何它们的组合。毛细管20可以用任何适合的材料制成，包括但不局限于铜、不锈钢或铝。优选的是毛细管20的截面为圆形，外形为螺旋形/波形，由铜制成。毛细管20也可以由多根管或同轴管组成。在一个实施方案中，同轴管由内管和带有内部凸纹的外管形成。在另一实施方案中，同轴管由外管和带有外部凸纹的内管形成。毛细管20为流动提供管阻。
运行中，储液器10置于如图3中所示的空调或制冷系统内。该系统的有关制冷剂流程图已经描述，因此，现在将只具体描述流经储液器10的流程。图4中的箭头表示制冷剂经过储液器10和毛细管20的流动。高温的液态/气态制冷剂从冷凝器/气体冷却器14(图3)流出，经高压入口32流入储液器10，随后流入毛细管20，在那里它膨胀并放热给外侧的低温制冷剂，最后从出口34排出进入蒸发器18(图3)。同时，主要为气态的制冷剂离开蒸发器18，流入容器24的低压入口28。液态制冷剂储存在容器24的底部，由压缩机吸入的气态制冷剂上升，并进入管36的蒸气入口端38。气态制冷剂流经管36，同时携带在管36的弯曲部从油渗出孔44进入的液态制冷剂和油，于是它们就混合成两相流。高温制冷剂流经毛细管20的同时，管36内的气态和两相制冷剂吸收高压(毛细管)侧的热量。随后低压低温的两相流体或过热制冷剂经低压出口30被吸出储液器10，流入压缩机12(图3)。
膨胀和热交换的最佳效果是根据一定的工作状况，例如冷却能力和工作温度，适当地选择毛细管20的内径和长度以及连接蒸发器和压缩机的管道的尺寸(典型的为-1英寸)来实现的。毛细管20具有非常小的内径和非常长的长度，以实现高压制冷剂向低压的充分膨胀，从而在蒸发器18的入口获得所需的制冷剂状态，例如大部分为液体同时带有少量或不带蒸气(即低品质状态)。
毛细管20的内径可以在大约0.6至2.5mm(0.025至0.100英寸)的范围，长度可以在大约0.3至6m(1至20英尺)的范围。对于汽车系统，毛细管的热交换面积对于系统需求来说必须是足够的。长度比较长时，应当考虑使用紧凑的布置，例如盘管。
容器24中制冷剂的过冷工艺足以为毛细管20内的制冷剂提供至少比冷凝器/气体冷却器14出口处制冷剂温度低10摄氏度的温度。根据不同情况下时毛细管20的选择，制冷剂的过冷温度相应地变化，在冷凝器/气体冷却器14的出口温度高出环境温度大约10至20摄氏度时，过冷温度降至大约10至25摄氏度的范围。
有利的是，将膨胀管20布置在外壳例如管36内确保了热量主要在膨胀管内的制冷剂和来自蒸发器的气态而不是液态制冷剂之阀交换。这样，与美国专利No.5,622,055中公开的系统不同，本系统不依靠液态制冷剂来冷却膨胀管内的制冷剂，因此本系统不需要产生额外量的液体用于达到此目的。这就使得所有产生的液体可用于蒸发器的冷却，从而提高了系统的冷却能力。这在超临界系统(例如使用冷制冷剂的系统)中是特别有利的，因为在该系统中比在非超临界系统中更难实现液化。此外，由于本系统允许进入压缩机的制冷剂处于过热状态而不是饱和状态，压缩机的出口温度会更高，因此沿冷却器/冷凝器的温差会更高，从而产生更有效的制冷循环。
尽管图4显示了本发明的有利实施方案，其中所有流体连接件贯穿顶部配件26，但是其它配置也是可以的，例如，如图5中所示，储液器110具有布置在顶部配件126中的低压入口128、高压入口132和高压出口134。低压出口130贯穿容器124的壁。
另一可能的实施方案示于图6。在图6中，毛细管220置于管236内，同时该毛细管的两端部221位于低压出口230的附近。毛细管220在其蒸气入口端238附近还具有转角246。这样，在毛细管220内，制冷剂流体在转角246前后的流动方向相反。在本实施方案中，转角246可以设置在管236内的任何位置。毛细管220可以有多个转角。毛细管220可以是任何期望的形状，例如波形、螺旋形和直线形以及它们的任意组合。毛细管220可以具有针对毛细管20所描述的任何特征。
图7显示了另一可能的实施方案。在这种情况下，毛细管320置于管336内，其两端部321位于蒸气入口端338的附近，同时在低压出口330附近具有转角346。这样，在毛细管320内，制冷剂流体在转角346前后的流动方向相反。如图6的实施方案所示，在本实施方案中，转角346可以设置在管336内的任何位置。毛细管可以具有任何数量的转角、任何期望的形状和/或针对毛细管20所描述的其他特征。
图5至7中的储液器110、210和310的操作在其它方面与参考图4详细描述的储液器10的操作相同。
图8A和8B描述了本发明的一个实施方案，其中热交换发生在储液器的外部，储液器可以选择性地不使用。其对图2或3的制冷系统进行了改进，去掉了储液器，用在冷凝器14和膨胀设备22之间延伸的管道以及在蒸发器18和压缩机12之间延伸的管道取而代之。尤其，图8A描述了在冷凝器和膨胀设备之间延伸的管道420以及在蒸发器和压缩机之间延伸的管道421。尽管可以采用具有任何可接受截面形状的任何适合的材料，优选的是，这些管道由金属(例如铝)制成。这些管道相互之间以热交换关系布置。这可以通过设置管道相互(紧密)接触来实现，例如通过熔接、焊接或其它方式将两根管接合在一起。于是这种配置就代替了图4至7中所描述的管36和毛细管20。
图8B显示了另一个实施方案，其中管道的布置与图4中描述的相似，但还是独立于任何储液器。内管是一根毛细管/小尺寸管520，外管是一根管子。内管的尺寸可以确定为使其起到膨胀器(如上述针对毛细管20的描述)的作用，这种情况下可以省去独立的膨胀设备。可选的是，内管的尺寸可以确定为不在制冷剂中产生任何明显的压降，这种情况下需要独立的膨胀设备22。
输入和输出428至434和528至534如同图4中所描述的输入和输出28至34。可以设置与毛细管20相似的管配置。运行中，当传输流体的管道处于如图8A和8B所示的传热接触时，由冷凝器流至蒸发器的流体和由蒸发器流至压缩机的流体相互传热。图8A和8B的实施方案对汽车空调系统尤其适用。
在一个实施方案中，管道之间的热交换关系可以延伸至接近压缩机或至压缩机上和/或冷却器/冷凝器的出口，以帮助提高制冷剂通道之间的传热。
图9显示了根据本发明另一实施方案的储液器。该储液器与上面参考图4描述的相同，并且相同的部件用相同的附图标记表示。因此，对图4中所示储液器的描述同样适用于图9中所示的储液器。图9的实施方案与图4所示实施方案之间的一个主要区别是图9的实施方案包括用于控制流入蒸发器的流体流量的阀48。该阀包括一个或多个尺寸可以改变以控制流体流量的孔。这种调节进入蒸发器的流速的能力在某些应用，例如压缩机速度可以改变的应用中有很大好处。以前这种应用是在压缩机由发动机驱动并因此压缩机速度取决于发动机速度的汽车中。怠速时(即发动机速度低)，流经制冷回路的流体流速相对于正常速度降低，制冷系统的冷却能力也因此减小。然而，系统的热负荷可以与汽车静止时的相同或者甚至更高。有利的是，可变阀的设置使阻力增大，并因此整个膨胀设备的压降也增大，以降低进入蒸发器的制冷剂的温度，从而补偿由较低压缩机速度引起的流体流量的减少。方便的是，可以根据表示制冷系统性能的参数，例如蒸发器的温度(或流体压力)来控制该阀。该阀可以包括感应口28处的局部温度并相应地启动该阀的温度感应致动器。
图10A和10B中显示了根据本发明一个实施方案的阀。
参见图10A和10B，阀60包括支撑件50，在本实施方案中支撑件50包括一圆柱形壁。该阀进一步包括横跨圆柱形支撑件50的横向部件54，在本实施方案中横向部件54是圆盘或板的形式。第一和第二孔56、58形成于横向部件54中，以允许流体从中穿过。该阀进一步包括安装在横向部件上的阀组件60，用于控制孔56、58打开或关闭的数量。
在该实施方案中，阀组件60成细长螺旋带的形式，包括两个纵向组件62、64，其中一个62位于螺旋的外部，另一个64位于螺旋的内部。在该实施方案中，这两个组件这样布置，以致温度升高时螺旋组件沿箭头“b”的方向向外移向两个孔56、58，温度降低时螺旋组件向内离开孔56、58，如箭头“c”所示。为了实现这种配置，内组件64可以由热膨胀系数比外组件62更低的材料制成，所以温度升高时，内组件趋向于减小螺旋曲率的张紧度，以致阀组件移动从而越过孔56、58；当温度降低时，内组件比外组件收缩得快，趋向于增加螺旋曲率的张紧度，从而使阀组件离开孔而移向螺旋的中心。阀组件60可以这样安装，以致其用于控制孔的大小的外部相对于横向部件54自由滑动，为了达到这个目的，螺旋组件可以在其中心区域固定于横向组件上，例如区域66。将阀组件固定在横向部件54上可以使用任何适合的方式，例如熔接、焊接、粘贴或任何适合的机械固定件，例如螺栓、铆钉或其他机械装置。
内和外阀组件62、64可以由任何适合的材料制成或可以具有在螺旋带的内部和外部之间产生膨胀和收缩差异的任何适合的结构。例如，内组件64可以由铜、铝或其它材料制成，外组件可以由例如InvarTM或KovarTM、或其它适合的材料制成。
虽然阀48中的阀组件可以安装在孔的低压侧，但是有利的是将阀组件安装在高压侧，如图10B中所示，横向部件54帮助支撑阀组件62，以将由流体的流动和压力引起的偏移降到最低，其中该流体的流动方向如图10B中箭头“d”所示，且在与用于将阀组件固定在横向组件54上的固定件相同的方向上作用。
应了解在其它实施方案中，阀可以包括任意数量的孔，例如一个孔或两个以上的孔。孔可以具有任何期望的截面形状，例如圆形、三角形、四边形或它们的任意组合。尽管在该实施方案中，孔设置在横向组件的外缘附近，但在其他实施方案中，一个或多个孔可以设置在其他位置，例如横向组件的外缘与中心之间的任意中间位置。在另一实施方案中，螺旋组件适于在温度升高时收缩，而在温度降低时膨胀，从而根据温度的变化以与上述相反的方式跨越过孔。
有利的是，根据以上实施方案的阀的构造紧凑，可以轻松地安装在储液器的上部板上，如图9中所示。此外，这种构造允许阀用非常少的零件制造，因此制造简单且成本低，同时也结实可靠。
尽管在一些实施方案中，膨胀阀例如上述结合图9、10A和10B描述的，可以设置在管道20的入口侧，但是在其他实施方案中，该膨胀阀也可设置在管道20的出口侧，如图9中所示。这样，阀就更靠近蒸发器，可以在不采用任何用于传送温度这一控制参数到膨胀阀的额外装置的情况下，直接感应蒸发器中的温度变化。
包括节流管(例如毛细管)与节流孔组合的膨胀设备使得整个膨胀设备的总压降在这两个组件，即管和孔之间均分。有利的是，由于节流孔自己也产生压降，整个膨胀设备的全部压降由此并不完全归因于节流管，因此该组合使得节流管具有的管阻比它在其他情况下需要的更低。反过来，这使节流管的内横截面变大，导致更大的圆周和管壁表面积，增加了与来自蒸发器的流体的热交换。这样，节流管和节流孔组合的配合就提供了具有更高效率的膨胀设备。应注意不管是否提供用于控制节流孔大小的阀，都可以体现出这种组合的优点，并且在没有任何阀组件的情况下，实施方案可以通过节流管和单节流孔的组合来实现。作为选择，或此外，这种组合允许节流管的长度缩短，因此所占空间更小。
应了解虽然在图9中外壳36和管道20设置在储液器室内，但是这些组件也可以设置在储液器室外，可以或者可以不以外壳36与室内流体存在热交换关系的方式布置。
在其他实施方案中，省去了外壳36，节流管20可以设置在储液器室的内部或其外部，并且与室内的流体，尤其是气态/两相流体存在热交换关系。
再次参见图9，在一可选实施中，将来自冷却器/冷凝器14的制冷剂流体输送到储液器的管道设置成与将来自储液器的流体输送到压缩机12的管道之间存在热交换关系。有利的是，这延长了两个流体通道之间的热交换关系，进一步促进了冷凝器和储液器之间的高压流体的冷却，以及储液器和压缩机之间的低压流体的加热，从而提高了效率。
管道70可以是毛细管或者是没有明显管阻的普通管。管道/管70、72可以以任何方式设置，以实现它们之间的热交换。
试验表明，具有与图4中所示相似的整体式储液器-膨胀器-热交换器且如空调系统那样工作的本系统实施方案，相对于使用相同压缩机、蒸发器、冷凝器以及相同的毛细管作为膨胀设备的其它空调，其COP大约提高15％，冷却负荷大约提高14％。试验中使用的压缩机速度为700、1500和2000rpm，它们通常分别对应于怠速、慢速和高速驱动。
可以在本发明范围内对尺度、形状、大小、方位和材料进行诸多改变，以满足所设计空调系统的特殊需求。同样外部结构例如顶部配件、容器、入口和出口的位置和布置可以根据需要进行修改。
应理解，虽然为了表述清楚，本发明的某些特征在不同实施方案中进行了描述，但是这些特征也可以以组合的方式出现在一个实施方案中。此外，为了简洁而在一个实施方案的中描述的本发明的各种特征也可以在其它实施方案中单独出现或以任何适合的子组合形式出现。
此外，尽管在此已经对本发明的特殊实施方案进行了描述和图解说明，但应当认识到本领域的技术人员可以容易地进行修改和变化，因此希望在此所附的权利要求解释为覆盖所有这些修改和等价物。
权利要求
1.一种用于制冷系统的装置，包括具有用于容纳制冷剂的室的储液器；位于所述室内部的外壳，所述外壳由外壳壁限定且具有流体入口和流体出口；以及用于膨胀制冷剂且设置在所述外壳内部的膨胀器，其中所述膨胀器包括用于从中输送制冷剂的管，所述管在其长度的至少一部分上具有管阻，以在沿程的流体中产生压降。
2.一种用于制冷系统的装置，包括具有用于容纳制冷剂的室的储液器；用于膨胀制冷剂且设置在所述室内的膨胀器，其中所述膨胀器包括用于从中输送制冷剂的管，所述管在其长度的至少一部分上具有管阻，以在沿程的流体中产生压降，并且其中所述管位于所述室内部，以致在所述室内管的大部分表面积用于与气态和/或两相制冷剂发生热交换。
3.如权利要求2所述的装置，进一步包括位于所述室内部的外壳，所述外壳由外壳壁限定且具有流体入口和流体出口，并且其中所述管的大部分表面积与所述外壳的内部存在热交换关系。
4.如权利要求3所述的装置，其中所述膨胀器管设置在所述外壳的内部。
5.如权利要求1、3或4所述的装置，进一步包括用于将制冷剂气体与制冷剂液体分离以及引导制冷剂气体进入所述外壳入口的分离装置。
6.如权利要求1、或3至5中任一项所述的装置，其中所述外壳包括管。
7.如权利要求1、或3至6中任一项所述的装置，其中所述室具有上部和下部，并且所述外壳的流体入口位于该上部。
8.如权利要求5所述的装置，其中所述分离装置包括流体入口，该流体入口用于引导流体进入所述室，且定位成防止经所述入口流入所述室的流体直接流入所述外壳的入口。
9.如上述权利要求中任一项所述的装置，进一步包括膨胀设备，该设备限定一个或多个节流孔，调节其大小以增加流体流动的管阻至超过所述膨胀器管提供的管阻。
10.如权利要求9所述的装置，进一步包括用于改变至少一个孔的大小的阀设备。
11.如权利要求10所述的装置，其中所述阀设备通过响应一参数来改变孔的大小。
12.如权利要求11所述的装置，其中所述阀设备包括结构，该结构随着其温度的变化而移动。
13.如权利要求12所述的装置，其中所述结构包括能够沿其长度呈现弯曲的组件，并且其中所呈现弯曲的张紧度随温度变化，以致曲率的张紧度在穿过所述孔的平面内变化。
14.如权利要求13所述的装置，其中所述组件包括包含第一材料的第一组件和包含第二材料的第二组件，其中第一材料的热膨胀系数与第二材料的不同，所述组件并排地设置在所述平面内。
15.如权利要求14所述的装置，其中所述组件包括成螺旋形式的细长带。
16.如上述权利要求中任一项所述的装置，包括用于将流体从所述储液器输送至压缩机的另外的管以及用于将流体从所述压缩机输送至所述储液器的返回管，并且其中所述另外的管和返回管之间具有热交换关系。
17.如权利要求16所述的装置，其中(1)另外的管和返回管的管壁中的至少一个与另一管壁接触，(2)所述另外的管和所述返回管中的一个位于所述另外的管和所述返回管中另一个的内部。
18.如上述权利要求中任一项所述的装置，其中所述管具有管阻，该管阻分布于其在所述室内部的长度的主要部分。
19.如权利要求1、或3至18中任一项所述的装置，其中所述外壳管包括在所述储液器的所述上部和下部之间延伸的第一和第二部分。
20.如权利要求19所述的装置，进一步包括形成在所述外壳管的下部的孔，用于引导流体从所述室的内部流入所述外壳。
21.如权利要求1、或3至20中任一项所述的装置，其并入一制冷系统中，在该制冷系统中所述外壳的入口与所述制冷系统的蒸发器出口连接，所述外壳的出口与所述制冷系统的压缩机入口连接，并且膨胀器管连接在所述制冷系统的流体冷却器出口和所述蒸发器入口之间。
22.如权利要求1至21中任一项所述的装置，其中所述膨胀器管包括至少一根毛细管。
23.如权利要求1至22中任一项所述的装置，其中所述膨胀器管沿其长度的至少一部分是非线性的。
24.如权利要求23所述的装置，其中所述膨胀器管沿其长度的至少一部分是螺旋状的。
25.如上述权利要求中任一项所述的装置，其中室是垂直定位的，且外壳的入口、外壳的出口、膨胀器管的入口和膨胀器管的出口穿过室的顶部。
26.如上述权利要求中任一项所述的装置，其中室是垂直定位的，且外壳的出口穿过室的侧部。
27.如权利要求1、或3至26中任一项所述的装置，其中所述管的管道在外壳的内部限定至少一个转角。
28.如权利要求27所述的装置，其中膨胀器管的入口和出口与外壳的流体入口邻近。
29.如权利要求27所述的装置，其中膨胀器管的入口和出口与外壳的流体出口邻近。
30.如权利要求19所述的装置，其中储液器的上部是气相部，储液器的下部是液相部，并且外壳的流体入口位于该上部。
31.如上述权利要求中任一项所述的装置，其中所述管包括由外管和上面具有外部凸纹的内管形成的同轴管。
32.如上述权利要求中任一项所述的装置，其中所述管包括由上面具有内部凸纹的外管和内管形成的同轴管。
33.如上述权利要求中任一项所述的装置，其中所述膨胀器管至少沿其一部分长度限定径向螺旋形或曲线形。
34.一种用于制冷系统的装置，包括具有用于容纳制冷剂的室的储液器和用于膨胀制冷剂的膨胀设备，该膨胀设备包括用于在其中输送流体且布置成与所述室内部的制冷剂进行热交换的管，所述管在其长度的至少一部分中具有管阻以在沿程的流体中产生压降，所述膨胀设备进一步包括用于限定一个或多个节流孔的设备，调节节流孔大小以提高流体流动的管阻至超过由所述管提供的管阻。
35.如权利要求34所述的装置，进一步包括用于改变至少一个孔的大小的阀设备。
36.如权利要求35所述的装置，其中所述阀设备响应一参数来改变孔的大小。
37.如权利要求36所述的装置，其中所述参数包括温度和压力中的至少一个。
38.如权利要求35或36所述的装置，其中所述阀设备包括结构，该结构随着其温度的变化而移动。
39.如权利要求38所述的装置，其中所述结构包括能够沿其长度呈现弯曲的组件，并且其中所呈现弯曲的张紧度随温度变化，以致曲率的张紧度在穿过所述孔的平面内变化。
40.如权利要求39所述的装置，其中所述组件包括包含第一材料的第一组件和包含第二材料的第二组件，其中第一材料的热膨胀系数与所述第二材料的不同，并且所述组件并排地设置在所述平面内。
41.如权利要求40所述的装置，其中所述组件包括成螺旋形式的细长带。
42.如权利要求41所述的装置，其中所述组件安装成重叠在所述孔上以改变所述孔的大小。
43.一种用于制冷系统的装置，包括具有用于容纳制冷剂的室的储液器，用于膨胀制冷剂的膨胀器，其包括用于在其中输送流体的管，所述管在其长度的至少一部分具有管阻以在沿程的流体中产生压降，以及用于控制膨胀器的管阻的控制设备。
44.如权利要求43所述的装置，其中所述控制设备包括阀设备，该阀设备用于控制流体通过它的流动。
45.如权利要求43或44所述的装置，其中所述管设置在所述室的内部。
46.如权利要求43至45中任一项所述的装置，进一步包括由外壳壁限定且具有流体入口和流体出口的外壳，并且其中膨胀器管设置在所述外壳的内部。
47.如权利要求43至46中任一项所述的装置，其中所述膨胀器管具有入口和出口，并且中所述控制设备设置在出口附近。
48.一种制冷系统，包括蒸发器、压缩机、用于输送压缩机中的压缩流体到蒸发器的第一管和用于将流体从蒸发器输送到压缩机的第二管，其中所述第一管和第二管之间具有热交换关系，且所述第一管沿其长度的至少一部分具有管阻，用于在流体沿其流向所述蒸发器时膨胀所述流体。
49.如权利要求48所述的制冷系统，在该系统的蒸发器和压缩机之间没有储液器。
50.一种制冷系统，包括蒸发器、压缩机、用于输送压缩机中的压缩流体到蒸发器的第一管和用于将流体从蒸发器输送到压缩机的第二管，其中第一管和第二管之间具有热交换关系，在该系统的蒸发器和压缩机之间没有储液器。
51.如权利要求48至50中任一项所述的制冷系统，其中所述第一管和第二管包含金属并焊在一起。
52.如权利要求48至51中任一项所述的制冷系统，其中第一管和第二管中的一个设置在所述第一管和第二管中另一个的至少一部分长度的内部，并沿该部分延伸。
53.如权利要求48至52中任一项所述的制冷系统，其中第一管设置在第二管的至少一部分内并沿该部分延伸。
54.一种用于制冷系统的膨胀设备，该膨胀设备具有一个或多个节流孔、用于改变至少一个孔的大小的阀设备，其中该阀设备包括能够沿其长度呈现弯曲的组件，并且其中所呈现弯曲的张紧度随温度变化，以致该曲率的张紧度在穿过该孔的平面内变化。
55.如权利要求54所述的膨胀设备，其中组件包括包含第一材料的第一组件和包含第二材料的第二组件，并且其中第一材料的热膨胀系数与第二材料的不同，并且该组件并排地设置在所述平面内。
56.如权利要求54或55所述的膨胀设备，其中所述组件包括成螺旋形式的细长带。
57.如权利要求54至56中任一项所述的膨胀设备，其中所述组件安装成重叠在孔上，以根据温度的变化改变孔的大小。
全文摘要
本发明公开了一种具有整体式储液器－膨胀器－热交换器的制冷系统。来自冷凝器/气体冷却器的制冷剂经过毛细管时被节流，同时与来自蒸发器的制冷剂发生热交换。该方法可以提高压缩机的效率，增大比冷却能力，以及增强系统的性能。具有膨胀设备和热交换器双重作用的毛细管设置在同样具有储液器作用的容器内部。这种将三个独立部件合为一体的新型装置可以简化制造过程，减小系统的尺寸和重量，并因此降低了整个系统的成本。
文档编号F25B43/00GK101057115SQ200580030240
公开日2007年10月17日 申请日期2005年7月8日 优先权日2004年7月9日
发明者谷俊杰 申请人:谷俊杰