专利名称：制冷系统的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及制冷系统，具体涉及蒸发器，其带有要求分 布两相制冷剂的平行管路。
在平行管路，例如在小通道或微通道热交换器中，非均匀分布 的两相制冷剂可极大地降低热交换效率。这称作分布不均，并且是 带有平行制冷剂管路的热交换器的共同的问题。两相分布不均问题 是由蒸气相和液相的密度差造成的。
除了降低效率外，两相分布不均还可造成压缩机损坏，这是因 为液体会阻塞蒸发器。
发明的^^开内容
本发明的目的是消除由两相制冷剂分布不均所造成的蒸发器低 效率和消除液体阻塞蒸发器导致的有害作用。同时，本发明可避免
设置另外的部件所导致的尺寸和成本增加，例如设置过热热交换器 来处理过大的热负荷。
本发明提供了 一种封闭回路的制冷系统，其包括至少下面的部 件吸入管路，加压机构，冷凝器，液体管路，过热热交换器，膨 胀器，和用于冷却流体的蒸发器。蒸发器设有入口集管，出口集管 和集管之间的制冷剂通道。制冷剂通道的外表面热暴露于冷却的流 体中。蒸发器出口集管具有液体出口 ，蒸气出口和液体分离机构。过热热交换器有高压侧和低压侧。高压侧传输来自液体管路的液体 制冷剂。低压侧传输来自出口集管的液体出口的制冷剂。过热热交 换器的尺寸设置成可使未蒸发的液体部分完全蒸发，并且在其低压 侧出口提供了过热，在各个具体的应用场合中，根据需要在蒸发器 出口提供过热。
本发明的另一主要方面是基于设置有液体分离器，所述液体分
离器设有液体出口，其为蒸发器入口集管提供供给；和蒸气出口， 其从出口集管蒸气出口的出口处连接到吸入管路上。
在本发明中，在蒸发器出口集管内的液体分离机构是基于重力 的。液体出口根据重力的方向设置，并且当制冷剂流从蒸发器的通 道出现在出口时，液体出口传l俞两相制冷剂流的未蒸发的液体部分。 蒸气出口根据重力的相反方向it置，并且可传输两相制冷剂流的蒸 气部分，将其从蒸发器传输到吸力管路。出口集管的直径和液体出 口的直径设置成可提供从出口集管的蒸气和液体出口流出的适当质 量流量。出口集管的蒸气出口可设限制器，以补偿过热热交换器的 低压侧的压力降。另外，液体分离机构的蒸气出口可设限制器，以 补偿蒸发器的压力降。蒸气压缩系统的加压机构是压缩机。吸收系 统的加压机构包括至少一个吸收器，泵和发生器。空气冷却蒸发器 使用空气作为流体，但在其他应用中，可采用各种不同的二次制冷 剂。膨胀器可用作热膨胀阀，其带有连接到蒸气集管的蒸气出口的 传感包(sensing bulb)。当使用液体分离器时，传感包相对于连接到液 体分离器的蒸气出口而连接到集管下游的蒸气出口上。膨胀器、液 体分离器(如果使用的话)、蒸发器和过热热交换器可设置成一个 共同的蒸发器单元。还可选择性地设置液体吸入式热交换器，其可 提供从冷凝器流出的热接触液体制冷剂，以及从过热热交换器的低 压侧流出的蒸气制冷剂。液体管路可包括两个平行管路带有主膨 胀器的主液体管路；和另外的管路，所述另外的管路设有过热热交 换器的高压侧和另外的膨胀器。如果所述另外的膨胀器是热膨胀阀，则传感包可连接到过热热交换器的蒸气出口上。如果所述另外的膨 胀器是毛细管并且过热热交换器是壳-管交换器，则毛细管可设置在 壳-管热交换器内的过热热交换器的高压侧。
在本发明中，过热热交换器的尺寸设置成可使未蒸发的液体部 分完全蒸发，并在其低压侧出口提供过热，在特殊应用场合，根据 需要，在蒸发器出口提供过热。由于过热区从蒸发器上取消掉，因 此蒸发器的容量得到很大的增强。此外，在蒸发器入口减少的蒸气 量导致蒸发器容量的改进。由于在本发明中过热热交换器只涉及压 缩机所提供的整个质量流量的仅仅一部分，因此过热热交换器的成 本和尺寸也得到减小。
附图简介
图1A和图1B显示了根据本发明的小通道热交换器； 图2是图1热交换器的压力焓图3是根据本发明一个方面的带有过热热交换器的制冷系统的 示意图4是根据本发明一个方面的带有过热热交换器和液体吸入式 热交换器的蒸发器的示意图5是采用液体分离器的本发明的示意图6是釆用两个分离的液体管路和两个膨胀器的本发明的示意
图7是采用两个分离的液体管路和两个膨胀阀的本发明的示意
图8是采用两个分离的液体管路和位于过热热交换器壳体内的
毛细管的本发明的示意图9是采用两个分离的液体管路和液体分离器的本发明的示意
图10是根据本发明一个方面的蒸气压缩制冷系统的示意图，所述系统在冷却;^莫式下操作；
图11是根据本发明一个方面的蒸气压缩制冷系统的示意图，所 述系统在加热模式下操作；以及
图12是根据本发明 一个方面的吸收制冷系统的示意图。
本发明的详细描述
图1显示了小通道或微通道热交换器，其带有入口集管l、出口 集管2和与翅片4交替地设置的管路3，翅片暴露于将在热交换器进 行冷却的流体中。如截面图所示，各管路3包括多个通道5，以传输 蒸发的制冷剂。在入口集管1的入口，两相制冷剂输送到各个管路 和管路的各通道。流体入口 6面对各管路的第一通道7,流体出口 8 面对各管路的最后通道9。显然，这样的设置是交叉流动的设置。
第 一个挑战性问题是在各管路等量分布两相制冷剂的液体和蒸 气部分。第二个挑战性问题是在各管路的各通道之间等量分布两相 制冷剂的液体和蒸气部分。已经采用制冷剂分布器来解决笫 一个挑 战性问题，但是第二个挑战性问题仍未能解决。例如，空气调节器 的入口 5的流体温度等于80°F,出口 6的流体温度等于58° F,蒸发 温度是45。F。在这样的情况下，第一通道的负荷温度差是80减45 等于35° R，但在最后通道的载荷温度差是58减45等于13。 R,即 为第一通道的负荷温度差和热负荷的37%。如果第一通道被适当进 给和完全加载，则最后的通道^L不完全加载，最后通道中的液体未 完全蒸发，因此会阻塞蒸发器，热交换器的效率大约为(100+37 )/2 = 68.5%。如果最后通道^R适当i也进给和完全加载，则第一通道是过热 的，笫一通道中的制冷剂基本为过热，并且热交换器明显缺乏效率。
分布不均的制冷剂的作用在图2显示。如果不存在分布不均， 则压缩机、冷凝器膨胀器和蒸发器的正常蒸气压缩循环形成1-2-3-4-1,其中l-A/^缩机吸入侧，2-^￡缩机排出侧，3-是冷凝器出口/膨
8胀器入口， 4-是蒸发器入口。如果发生制冷剂分布不均，蒸发器的某 些回路可主要是传输蒸气，某些回路可主要传输液体。结果是，某 些回路有过热蒸气，某些回路在出口具有液体。出口出现液体，这
就将上面提到的循环重新形成为r-2，-3-4-r,并且压缩过程r-2，转 移到两相区。未蒸发的液体部分并不有助于冷却通过蒸发器泵送的 液体，结果是，蒸发器的容量减少。此外，如果未蒸发的液体到达 压缩机的吸入端口，可使压缩沖几损坏。尝试设计在更大的制冷剂过 热下工作的蒸发器以保证在蒸发器出口没有液体，这将导致蒸发器
容量和cop的进一步减少。
本发明希望实现完全蒸发，实现过热热交换器的轻微过热，提
供循环1-2-3-3，-4，-1，-1,其中l，-l是过热热交换器中蒸气的过热，3-
3'是过热热交换器中液体的次令却，4， -r是冷却效果。过程4'-r的
焓差等于正常蒸气压缩循环的过程4-l的焓差。
根据图3,制冷系统包括形成封闭回路的压缩机10、冷凝器11、 液体管路12、膨胀器13、用于冷却流体的蒸发器14、过热热交换器 15和吸入管路16。
蒸发器14具有入口集管1和出口集管2。出口集管2具有液体 出口 17，蒸气出口 18,和液体分离机构。液体分离机构是基于重力 的。液体出口 17的设置是根l居重力的方向，蒸气出口的设置是根据 重力的相反方向。液体出口 17传输液体和制冷剂，蒸气出口 18传 输蒸气。蒸气出口集管2的截面积和液体出口 17的截面积的大小设 置成可提供来自出口 17、 18的足够制冷剂质量流量。
过热热交换器15可提供高压侧15a和低压侧15b之间的热接触。 高压侧15a将来自入口处的液体管路12的液体制冷剂传输到膨胀器 13。低压侧15b传输与来自液体出口 17的制冷剂混合的液体制冷剂。 热交换器15的尺寸设置成可使出现在蒸发器14的出口集管2处的 液体制冷剂完全蒸发，并在其#<压出口实现一定过热，并且回收热 量到流过液体管路12的液体制冷剂中。在过热热交换器15的低压侧15b的出口处的过热应当根据要求与各具体应用中蒸发器出口的 过热相同。应着重指出，两相制冷剂分布不均情况越严重，则要保 持的热负荷越高，并且要求过热热交换器15的尺寸越大。因此，应 考虑任何的减少分布不均的努力，这是有益的。
蒸气出口 18可设有限制器18a，以补偿过热热交换器15的低压 侧15b的压力降。
或者，蒸气出口 18可连接到喷射泵18b的驱动侧，其中过热热 交换器的蒸气出口连接到喷射泵18b的从动侧，以补偿过热热交换 器15的低压侧15b的压力降。
膨胀器13、蒸发器13和过'热热交换器15可结合在一个蒸发器 单元中。
膨胀器13可实施为毛细管或作为毛细孔。如果蒸发器13是膨 胀阀，则所述膨胀阀的传感包19应位于蒸气出口 18的出口。
图4显示了传统的液体吸入式热交换器和过热热交换器15之间 的差别。图4显示了带有液体吸入式热交换器20的制冷系统，其可 提供高压侧20a和低压侧20b之间的热接触。高压侧20a从液体管路 12传输液体制冷剂到过热热交^:器15，然后传输到入口。低压侧20b 从过热热交换器15传输蒸气到压缩机10。液体吸入式热交换器20 并不预期用于实现蒸发过程，因为过热热交换器15用于实现这一过 程。液体吸入式热交换器的功能是大大增加吸入管路16的过热和大 大增加液体管路12的次冷却。
图5显示，使用了液体分离器21。液体分离器21设有两个出口 液体出口 22和蒸气出口 23。液体出口 22为蒸发器14的入口集管1 提供进给。蒸气出口 23连接到出口集管2的蒸气出口 18所引出的 吸入管路16上。蒸气出口 23可设有限制器23a,以便作为补偿器， 用于补偿蒸发器14和其集管1、 2的制冷剂压力降。
膨胀器13、蒸发器14、过热热交换器15和液体分离器21可结 合在一个蒸发器单元中。膨胀器13可实施为毛细管或作为毛细孔。如果蒸发器13是膨 胀阀，则所述膨胀阀的传感包19应位于蒸气出口 18的出口，并且 位于连接蒸气出口 23和吸入管^各16的管路之后。
图6显示了带有分成两个部分的液体管路12的制冷系统。第一 部分传输大部分的液体制冷剂质量流量，并且设有连接到入口集管1 上的膨胀器13。第二部分传输质量流量的其余部分，并且还包括过 热热传感器15的高压侧15a和连接到入口集管1上的另外的膨胀器 24。
如果膨胀器13是膨胀阀，则该膨胀阀的传感包19应位于蒸气 出口 18的出口 。
如果膨胀器24是膨胀阀，则该膨胀阀的传感包25应位于过热 热交换器15的低压制冷剂侧的出口，如图7所示。在这种情况下， 膨胀阀24以相反的原理操作，当过热下降时该膨胀阀24打开阀孔， 当过热增加时其关闭阀孔。
如果膨胀器24是毛细管，则该毛细管可用作过热热交换器15 的高压侧15a (即在过热热交换器15内)，如图8所示。当由于分 布不均导致出口集管2的液体数量增加时，毛细管的冷却效果也增 加，毛细管的容量也增加。因此，通过高压侧的增加的制冷剂质量 流量，就可处理出口集管2的增加的液体量。
相对于图6的系统，图9的系统增加了液体分离器21。在膨胀 器13和膨胀器24中膨胀的制冷剂进给到液体分离器21。液体出口 22连通到蒸发器14的入口集管1。蒸气出口 23连接到从出口集管2 的蒸气出口 18中引出的吸入管路16上。图9的所有部件可结合在 一个蒸发器单元中。
液体吸入式热交换器可以与图4所示液体吸入式热交换器的相 同方式应用于可适应图5、图6、图7、图8和图9中所示设置的系 统中。
图10和图11显示了基于图8的制冷系统，但设计成可利用涉及冷却模式的图9、图IO和涉及加热模式的图11所示的部件，分别 在冷却模式和加热模式下操作。为进行加热模式，制冷系统设有四 通阀门25和吸力储集器(suction accumulator)26,以处理加热才莫式和 冷却模式下的制冷剂填充不平衡。还有，该系统设置了止回阀27和 28,以便当操作模式从冷却模式转成加热模式时，停用非所需的制 冷剂流。膨胀器13和24是旁流(by-directional-flow)装置。在加热 ;漠式下，蒸发器14可用作冷;疑器，液体分离器21用作接收器，冷 凝器11用作蒸发器，并且过热热交换器15不回收任何热负荷。
膨胀器13、蒸发器14、过热热交换器15、液体分离器21、另 外的膨胀器24和止回阀27、 28,可构成单独的蒸发器单元29。
引入到图6中的液体分离器21和两个分离的液体管路是可选择的。
冷凝器11可作为冷凝器单元的基础，并且具有与蒸发器单元29 相同的结构。图11是这种情况的很好显示，冷凝器单元设有作为蒸 发器14的冷凝器，作为液体分离器21的接收器，膨胀器13,24,以 及停用的过热热交换器15。此外，引入到图6中的液体分离器21和 两个分离的液体管路对于冷凝器单元是可选的。
图12显示了吸收系统，其具有图9所示的蒸发器。除了图9的 部件外，该吸收系统具有加压才几构30，其包括带有以下吸收系统部 件的封闭回路吸收器31，泵32，热交换器33，发生器34和冷凝 器ll。如上面所提到的，引入到图6中的液体分离器21和两个分离 的液体管路是可选择的。还有，液体吸入式热交换器可以与图4所 示的液体吸入式热交换器相同的方式而选择性地应用。 尽管已经对本发明的一些优选实施例进行了详细公开，但是应当知 道，在未脱离本发明的精神或所附权利要求阐明的范围内，可以对 其结构进行各种改进。
权利要求
1. 一种制冷系统，其具有形成封闭回路关系的加压器、冷凝器、膨胀器和蒸发器，所述蒸发器具有入口集管、出口集管和多个将所述入口集管流体式互连在所述出口集管上的通道，所述系统包括过热热交换器，其在所述系统内流体式互连，并具有热连接的高压侧和低压侧，其中，所述高压侧通过所述膨胀器而将所述冷凝器流体式互连到所述入口集管，并且所述低压侧将所述出口集管流体式互连到所述加压器，其中，所述出口集管包括液体出口、蒸气出口，和用于将液体制冷剂与制冷剂蒸气分开的机构；所述液体出口流体式连接在所述过热热交换器上；所述蒸气出口流体式连接在所述加压器上；所述过热热交换器在尺寸上设置成可使从所述液体出口流出的液体制冷剂完全蒸发为蒸气，和所述过热热交换器进一步在尺寸上设置成可使所述制冷剂蒸气过热。
2. 根据权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，所述分离机 构适于利用重力将所述液体制冷剂与制冷剂蒸气分开。
3. 根据权利要求2所述的制冷系统，其特征在于，所述液体出 口位于所述出口集管的底部。
4. 根据权利要求2所述的制冷系统，其特征在于，所述蒸气出 口位于所述出口集管的顶部。
5. 根据权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，所述蒸气出 口在其中包括限制器，以补偿所述过热热交换器的所述低压侧中的压 力降。
6. 根据权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，所述蒸气出 口连接到喷射泵的驱动侧，所述过热热交换器的蒸气出口连接到所述喷射泵的从动侧，并且从所述喷射泵流出的混合蒸气流连通至所述加压器。
7. 根据权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，所述加压器 包4舌压缩才几。
8. 根据权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，所述加压器 包括吸收器、泵和发生器。
9. 根据权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，所述膨胀器 是膨胀阀，另外，所述蒸气出口包括压力传感包，用于响应式地控制 所述膨胀阀。
10. 根据权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，除了所述冷 凝器通过所述过热热交换器高压侧而流体式互连到所述入口集管之 外，还在所述冷凝器和所述入口集管之间包括平行的互连件。
11. 根据权利要求10所述的制冷系统，其特征在于，所述平行 的互连件包括第二膨胀器。
12. 根据权利要求11所述的制冷系统，其特征在于，所述平行 的互连件适于传输来自于所述冷凝器的液体制冷剂的大部分，并且所 述高压侧适于传输液体制冷剂的少部分。
13. 根据权利要求11所述的制冷系统，其特征在于，所述第二 膨胀器由位于所述蒸气出口的压力传感器来控制。
14. 根据权利要求12所述的制冷系统，其特征在于，还包括位于 所述过热热交换器低压侧的下游侧的压力传感器，所述膨胀器是带有 阀孔的膨胀阀，并可控地连接于其上。
15. 根据权利要求14所述的制冷系统，其特征在于，可操作所述 膨胀阀，使得其阀孔在过热下降时打开，而在过热增加时关闭。
16. 根据权利要求IO所述的制冷系统，其特征在于，所述膨胀器 是毛细管。
17. 根据权利要求16所述的制冷系统，其特征在于，所述毛细管 容纳于所述过热热交换器中。
18. 根据权利要求l所述的制冷系统，其特征在于，还包括用于 分离液体制冷剂和制冷剂蒸气的第二机构，所述第二分离机构流体式 互连于所述膨胀器和所述入口集管之间。
19. 根据权利要求18所述的制冷系统，其特征在于，所述第二分 离机构适于使液体制冷剂到达所述入口集管，并使制冷剂蒸气到达所 述加压器。
20. 根据权利要求IO所述的制冷系统，其特征在于，还包括用于 分离液体制冷剂和制冷剂蒸气的第二机构，所述笫二分离机构流体式 互连于所述入口集管与所述高压侧及所述平行的互连件之间。
21. 根据权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，还包括位于 所述冷凝器和所述过热热交换器之间的第二热交换器，所述第二热交 换器具有热接触的高压侧和低压侧，其中，所述高压侧将液体制冷剂 传输到所述过热热交换器，所逸低压侧将蒸气从所迷过热热交换器的 低压侧传输到所述加压器。
22. 根据权利要求16所述的制冷系统，其特征在于，还包括四通 阀，其用于选择性地将所述系统内的制冷剂流反向，以适应加热操作 模式或冷却操作纟莫式。
23. 根据权利要求22所述的制冷系统，其特征在于，还包括储集 器，用于适应冷却操作才莫式和加热操作才莫式下的制冷剂填充不平衡。
24. 根据权利要求22所述的制冷系统，其特征在于，还包括位于 液体出口的止回阀，以便在加热操作模式期间停用液体制冷流。
全文摘要
一种制冷系统，具有加压器、冷凝器、膨胀器和蒸发器，所述蒸发器设有入口集管、出口集管和多个位于入口集管和出口集管之间的通道，所述出口集管设有液体出口和蒸气出口，还设置了用来分开液体制冷剂和制冷剂蒸气的机构。液体制冷剂通过过热热交换器来实现完全蒸发和过热，然后通过加压器。设置了各种其他特征，以改进该系统的操作。
文档编号F25B41/00GK101432581SQ200580030331
公开日2009年5月13日 申请日期2005年7月14日 优先权日2004年7月14日
发明者I·韦斯曼, J·J·桑乔瓦尼, M·B·戈尔布诺夫 申请人:开利公司