使用制冷系统废热的系统的制作方法
【专利摘要】一种使用制冷单元的废热来加热食品的系统，其具有加热回路，所述加热回路被连接到制冷单元并介于压缩机和冷凝器之间，且被构造来允许制冷剂进入所述加热回路来将热量传递给食品。
【专利说明】使用制冷系统废热的系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]参考2011 年 6 月 2 日申请且标题为 SYSTEM USING REFRIGERATION SYSTEM WASTEHEAT的第61/492，516号美国临时申请，并且本申请要求第61/492，516号美国临时申请的优先权和权益，所述申请的全部内容以引用的方式并入本文中。
[0003]发明背景
[0004]本发明大体上涉及一种在冷冻甜点系统中使用的制冷系统，并且更特定地说，涉及使用来自制冷系统的废热来加热果汁和其它甜点配料。
[0005]使用制冷系统来冷却冷冻甜点系统中的混合配料，诸如奶昔或冰激凌分配器。冷冻甜点系统通常包括存储混合配料的储料器和在提供食用之前冷却混合配料并将空气混合到混合配料中的冷冻缸。冷冻缸由制冷系统冷却。也可根据将要分配的冷冻甜点而通过制冷系统来冷却储料器。制冷剂在压缩机中被压缩成高压且热含量高。接着制冷剂流过冷凝器，在冷凝器中制冷剂排斥热量并且被冷却。高压低热含量的制冷剂接着膨胀为低压。在发生膨胀后，制冷剂流过包围冷冻缸和/或储料器、接受来自冷冻缸的热量并冷却冷冻缸并因此冷却混合配料的管道。在冷却了冷冻缸和/或储料器之后，制冷剂处于低压并且热含量高且返回到压缩机进行压缩，循环完成。
[0006]典型的冷冻甜点系统的一种选择是经加热的果汁或其它经加热的配料。果汁被放置在贮槽中，所述贮槽具有用于分配果汁的手动启动的果汁泵。果汁贮槽通常放置在外部贮槽内。水放置在外部贮槽内以充当双锅配置。在一些配置中为了加热果汁，电阻加热器被放置到外部贮槽的外表面上。恒温控制器和恒温高限制器与这个加热器串联构造以控制并限制水和果汁的温度。在室内环境温度处于稳态状况期间，加热器需要使用能量来对果汁进行加热。
[0007]用来加热果汁的另一方法是添加热交换器反馈回路以接收从压缩机排放端流动到压缩机吸入端的制冷剂。在这种配置下，制冷剂离开压缩机、经过控制阀到达热交换器回路并兜回到压缩机的入口。在这种系统中，额外能量被用来加热果汁，这是因为在加热果汁后，制冷剂直接返回到压缩机吸入端而不用于冷却。
发明概要
[0008]一种使用制冷单元的废热来加热食品的系统，其具有加热回路，所述加热回路被连接到制冷单元并介于压缩机和冷凝器之间，且被构造来允许制冷剂进入加热回路以将热
量传递给食品。
[0009]在示例性实施方案中，本系统将从压缩机离开的制冷剂引导到对果汁进行加热的加热回路中。制冷剂接着被馈送到冷凝器中。制冷剂一旦到达蒸发器，即执行冷却工作。由于果汁将通过来自制冷系统的压缩机的废热加热，所以本系统的能量消耗减小。额外的能量节省还由于制冷系统上的冷却负载减小，这是因为冷凝器负载将因由加热回路所进行的加热量而减小。
[0010]根据示例性实施方案，提供一种使用制冷单元的废热来加热食品的系统。所述系统包括:被构造来连接到制冷单元的管线的加热回路，所述管线连接压缩机和冷凝器，所述加热回路被连接到管线的上游位置和下游位置；加热阀，其被连接到加热回路；恒温控制器，其被连接到加热阀并被构造来打开加热阀以允许制冷剂在上游位置进入加热回路且在下游位置离开加热回路；和贮槽热交换器，其被连接到加热回路并被构造来允许制冷剂进入贮槽热交换器以将热量传递给食品贮槽。
[0011]在另一示例性实施方案中，提供一种食品分配器制冷系统。所述系统包括:具有压缩机来将制冷剂压缩成高压的制冷单元；用于冷却所述制冷剂的冷凝器；用于允许制冷剂在压缩机和冷凝器之间经过的旁通回路；用于将所述制冷剂减小到低压的膨胀装置；和用于与冷冻缸或容纳食品的储料器交换热量的蒸发器；于上游位置和下游位置连接到旁通回路的加热回路；连接到加热回路的加热阀；连接到加热阀并被构造来打开加热阀以允许制冷剂进入加热回路的恒温控制器；和贮槽热交换器，其连接到加热回路并被构造来允许制冷剂进入贮槽热交换器以将热量传递给食品贮槽。
[0012]在又一示例性实施方案中，提供一种用于加热食品的方法。所述方法包括将制冷剂压缩成高压；将高压制冷剂引导到加热回路以将热量传递给食品贮槽；将制冷剂从加热回路引导到冷凝器以冷却制冷剂；将制冷剂膨胀到低压；将低压制冷剂引导到蒸发器以接受来自冷冻缸的热量并冷却冷冻缸；和将低压制冷剂引导到压缩机以将制冷剂压缩成高压。
[0013]附图简述
[0014]为了进一步了解本公开内容，将参考下列详细描述，将结合附图阅读下列详细描述，其中:
[0015]图1示意性地示出使用来自制冷系统的废热加热食品的系统的示例性实施方案。
[0016]图2示意性地示出使用来自制冷系统的废热来加热食品的系统的另一示例性实施方案。
[0017]图3示意性地示出使用来自制冷系统的废热加热食品的系统的另一示例性实施方案。
[0018]图4示意性地示出使用来自制冷系统的废热加热食品的系统的另一示例性实施方案。
【具体实施方式】
[0019]本文所述的示例性实施方案使用制冷单元的废热来加热食品。加热回路被连接到制冷单元并介于压缩机和冷凝器之间，且允许制冷剂进入加热回路以在被导向制冷单元的冷凝器之前将热量传递给食品。示例性实施方案的能量消耗减小，这是因为来自制冷系统的压缩机的废热被用来加热食品且冷凝器负载将因由加热回路所进行的加热量而减小。
[0020]图1是使用来自制冷系统116的废热来加热食品的系统的示例性实施方案的示意性图示。
[0021]冷冻甜点分配器系统100包括存储用来制作冷冻品的混合配料的储料器102。在一个示例性实施方案中，储料器102可以是20夸脱储料器。混合配料从储料器102流到冷冻缸104以进行冷冻并与空气混合。在重力馈送系统中，标准空气混合馈送管被用来计量进入到冷冻缸104的空气。在泵系统中，通过泵来计量进入到冷冻缸104的空气。冷冻缸104是不锈钢冷冻缸。接着冷冻品被分配来提供食用。
[0022]经加热的食品(诸如果汁、软糖或水果配料)可根据客户要求连同冷冻甜点一起分配。为了此次讨论的目的，食品被描述为果汁，但是可以其它食品替代。果汁被存储在果汁贮槽118中以在其中加热。果汁贮槽118可被放置在容纳水的外部贮槽内以充当双锅配置。
[0023]储料器102和冷冻缸104通过制冷系统116冷却。制冷系统116的废热被用来加热将连同冷冻甜点一起分配的果汁。
[0024]制冷剂流过闭路制冷系统116。在一个示例性实施方案中，制冷剂为R404A。制冷剂在压缩机106中被压缩成高压且热含量高。制冷剂接着沿着管线108流向被布置在压缩机106和冷凝器110之间的旁通回路114和加热回路134。
[0025]加热回路134是将制冷剂导向果汁贮槽118以对容纳于其中的果汁进行加热的管线。以此方式，加热回路134使用来自制冷系统116的废热加热果汁。加热回路134的添加通过食品分配器100而减小能量消耗，这是因为将使用来自制冷系统116的压缩机106的废热来加热果汁。此外，可免除或至少基本上减少对用来加热果汁的电阻加热器的需求。预期在使用来自如本文公开的制冷系统的废热加热食品的许多应用中，将无需补充的电加热器。然而，应了解即使结合补充的电加热使用，仍将实现与使用来自如本文公开的用于加热食品的制冷系统的废热相关的能量节省。额外的间接能量节省还由于冷却负载减小，这是因为冷凝器负载将因由加热回路134所进行的加热量而减小。
[0026]在示例性实施方案中，加热回路134由铜管道制成，但是也可使用其它类型的管道。加热阀136散置在加热回路134中。加热阀136在实例性实施方案中包括螺线管阀并且在本文中也被称为螺线管阀136，其控制制冷剂进入加热回路134的流动。包围果汁贮槽118的贮槽热交换器138散置在加热回路134中。在示例性实施方案中，贮槽热交换器138由缠绕在果汁贮槽118的底部和壁周围并焊接到所述底部和壁从而围绕果汁贮槽118的铜管制冷管线制成，所述铜管制冷管线的直径为近似5/16英寸。然而，可使用其它直径和类型的管道。可优选地最大化焊接到果汁贮槽118的底部的贮槽热交换器138的表面积。
[0027]在一些示例性实施方案中，果汁贮槽118是双锅状配置，其具有容纳果汁或调味品的内部容器，和容纳水的外部容器。在其它示例性实施方案中，果汁贮槽是单个容器。此夕卜，冷冻甜点分配器100可具有多个果汁贮槽118。在示例性实施方案中，贮槽热交换器138包围果汁贮槽118以加热其中所容纳的果汁。
[0028]加热阀136控制制冷剂从压缩机106到加热回路134的流动。当果汁贮槽118需要热量时，螺线管阀136打开以允许制冷剂流入加热回路134并流过贮槽热交换器138，且因此围绕果汁贮槽118。当果汁贮槽118不需要热量时，螺线管阀136关闭且防止制冷剂进入加热回路134。
[0029]恒温控制器140监测果汁贮槽118和容纳在其中的果汁的温度并且经由电连接件146被电连接到螺线管阀136。恒温控制器140也电连接到冷冻食品分配器100的电源144。
[0030]当恒温控制器140检测到果汁贮槽118中的果汁的温度需要热量时，恒温控制器140启动螺线管阀136到打开位置，从而允许制冷剂朝向下游位置150和管线124流入加热回路134。当恒温控制器140检测到果汁贮槽118中的果汁的温度不需要热量时，恒温控制器140撤销对螺线管阀136的启动而到关闭位置，从而防止制冷剂流入加热回路134中。
[0031]由于制冷剂的温度高于果汁贮槽118中的水和/或果汁，所以当制冷剂流入加热回路134和贮槽热交换器138时，热传递速率对于果汁贮槽118而言是可观的。因此，果汁贮槽118中的水和/或果汁的内部热能将增加并且制冷剂的内部热能将减小。增加水和/或果汁的热能将对果汁进行加热，且减小制冷剂热能将减小冷凝器110上的热负载。由于冷凝器110上的热负载将减小，所以高侧压力将降低并且过冷却量将增加，从而产生更有效的制冷系统116。
[0032]在示例性实施方案中，旁通回路114于两个位置连接到加热回路134，其在上游位置148和下游位置150处于打开状态与加热回路134流体连通。由于制冷剂从压缩机106连接到冷凝器110，并且因此从管线108流向管线124，所以上游位置148相对于制冷系统中的制冷剂流动而言是下游位置150的上游。在示例性实施方案中，上游位置148位于邻近管线108之处并且下游位置150位于邻近管线124之处。
[0033]旁通回路114是用来将制冷剂从压缩机106引导到冷凝器110使加热回路134旁通的管线。旁通回路114可由铜管道或其它材料制成。在示例性实施方案中，螺线管阀142可散置在旁通回路114中。螺线管阀142控制制冷剂进入旁通回路114的流动。螺线管阀142也经由电连接件146而电连接到恒温控制器140。在本实施方案中，当恒温控制器140检测到果汁贮槽118中的果汁温度需要热量时，恒温控制器140撤销对螺线管阀142的启动而到关闭位置，其防止制冷剂进入旁通回路114。以此方式，全部或几乎全部制冷剂被引导通过加热回路134。
[0034]如上所述，当恒温控制器140检测到果汁贮槽118中的果汁的温度不需要热量时，恒温控制器140撤销对螺线管阀136的启动而到关闭位置，并且启动螺线管阀142到打开位置，从而防止或至少基本上限制制冷剂流过旁通回路134并且允许全部或几乎全部制冷剂朝向下游位置150和管线124流入旁通回路114。
[0035]尽管螺线管阀136和142已经示出并且被描述为控制制冷剂进入加热回路134和旁通回路114的流动，但是也可出于该目的使用其它装置。
[0036]在取决于果汁贮槽118是否需要热量，制冷剂被引导通过加热回路134或旁通回路114后，制冷剂接着沿着管线124流向并流经冷凝器110。当制冷剂流过冷凝器110时，制冷剂排斥热量并且被冷却，这是因为制冷剂以与由发动机132驱动的风扇130建立的空气流成热交换关系而流经。在示例性实施方案中，冷凝器110是三行5/16英寸管且凸起的切开鳍片冷凝器110。冷凝器110也可以是水冷却的冷凝器。然而，应了解还可使用其它类型的冷凝器110。此外，压缩机106的大小和冷凝器110的大小是平衡的并且彼此相关。
[0037]高压低热含量制冷剂沿着管线126流动远离冷凝器110。高压低热含量制冷剂接着使用膨胀装置112而膨胀。在示例性实施方案中，膨胀装置112是毛细管。在另一示例性实施方案中，膨胀装置112是膨胀阀。在一些示例性实施方案中，在膨胀之前，制冷剂流可被分离成两条线。一条线可通向冷冻缸104且另一条线可通向储料器102。每条线可具有其自身的相关膨胀阀。例如，AXV膨胀阀可用在通向冷冻缸104的线上。AXV膨胀阀是不断调节压力以控制在冷冻缸104周围流动的制冷剂的蒸发压力的自动膨胀阀。TXV膨胀阀或热膨胀阀调节制冷剂在蒸发器出口处的过热量并且可沿着通向储料器102的线使用。
[0038]在膨胀后，制冷剂沿着管线128流过蒸发器120。在一个示例性实施方案中，蒸发器120是包围储料器102和冷冻管104、接受来自储料器102和冷冻管104的热量并冷却储料器102和冷冻管104并因此冷却混合配料的管道。在示例性实施方案中，包围储料器102和冷冻管104的蒸发器120是缠绕储料器102和冷冻管104的底部和壁的周围并被焊接到所述底部和壁的铜管制冷管线，所述铜管制冷管线的直径为近似5/16英寸。然而，也可使用其它直径的管道。优选地最大化焊接到储料器102和冷冻管104的底部的蒸发器120的表面积。
[0039]在冷却冷冻缸104和储料器102之后，制冷剂处于低压且热含量高并且制冷剂沿着管线122返回到压缩机106进行压缩，制冷循环完成。
[0040]如上所述，制冷剂进入加热回路134的流动通过使用两个螺线管阀136和142控制。
[0041]图2是使用来自制冷系统116的废热来加热食品和使用沿着加热回路134定位的单个螺线管阀202的系统的另一示例性实施方案的示意性图示。在本实施方案中，螺线管阀202沿着加热回路134定位成邻近上游位置148。螺线管阀202经由电连接件146被电连接到恒温控制器140。当恒温控制器140检测到果汁贮槽118中的果汁的温度需要热量时，恒温控制器140启动螺线管阀202到打开位置，从而允许制冷剂朝向下游位置150和管线124流入加热回路134。当恒温控制器140检测到果汁贮槽118中的果汁的温度不需要热量时，恒温控制器140撤销对螺线管阀202的启动而到关闭位置，从而防止制冷剂流入加热回路134。
[0042]在本实施方案中，当螺线管阀202处于关闭状态时，全部或几乎全部制冷剂经过旁通回路114。当螺线管阀202处于打开状态时，制冷剂同时经过加热回路134和旁通回路114。
[0043]在本实施方案中，为实现在螺线管阀202打开时有足够的制冷剂流过加热回路134，限制元件204可如图2所描绘沿着旁通回路114建立。在其它示例性实施方案中，不包括限制元件。
[0044]在示例性实施方案中，旁通回路114由铜管道制成，但是也可使用其它管道。限制元件204可通过窄化旁通回路114的一部分而建立。在一个示例性实施方案中，旁通回路114的铜管线被卷曲以建立限制元件204。以此方式，限制元件204沿着旁通回路114产生压降，从而当螺线管阀202打开时允许制冷剂流入加热回路134。在其它示例性实施方案中，限制元件204是插入到旁通回路114中以限制其中的制冷剂流动的装置。
[0045]图3是使用来自制冷系统116的废热来加热食品并使用沿着加热回路134定位的单个螺线管阀302的系统的另一示例性实施方案的示意性图示。
[0046]在本示例性实施方案中，螺线管阀302沿着加热回路134定位为邻近下游位置150。螺线管阀302经由电连接件146电连接到恒温控制器140。当恒温控制器140检测到果汁贮槽118中的果汁温度需要热量时，恒温控制器140启动螺线管阀302到打开位置，从而允许热的制冷剂气体朝向下游位置150和管线124流过加热回路134。当恒温控制器140检测到果汁贮槽118中的果汁温度不需要热量时，恒温控制器140撤销对螺线管阀302的启动而到关闭位置，从而防止热的制冷气体流过加热回路134。
[0047]图4是使用来自制冷系统116的废热加热食品的系统的简化形式的示例性实施方案的示意性图示。图4中描绘的简化的实施方案不具有旁通回路和在图1到图3中描绘的实施方案中与其相关的制冷剂流控制器(包括恒温控制器和螺线管阀)。在本简化的实施方案中，包围果汁贮槽118的贮槽热交换器138被散置在从压缩机106的制冷剂排放出口延伸到冷凝器110的制冷剂管线中。因此，无论何时制冷系统116的压缩机106处于操作状态，即无论何时需要冷却储料器102，从压缩机106经过的全部制冷剂蒸汽皆经过贮槽热交换器138。在横贯贮槽热交换器138之后，制冷剂继续沿着管线124流到冷凝器110并流过冷凝器110，由此沿着管线126流到并流过膨胀装置112并沿着管线128流到蒸发器120。在横贯蒸发器20时，制冷剂以与储料器102和冷冻缸104以及其中的食品混合配料成热交换关系而经过，从而食品混合配料得到冷却并且制冷剂蒸发。由此制冷剂蒸汽从蒸发器120传递通过管线122以返回到压缩机106。因此，在图4中描绘的实施方案中，如在图1到图3描绘的实施方案中，经过贮槽热交换器138用于加热贮槽118中的食品(例如，果汁)的全部制冷剂继续传递通过整个制冷剂电路。
[0048]本文所使用的术语是出于描述目的，并无限制之意。本文公开的具体结构和功能细节将不被解释为限制性，而是仅作为教导本领域技术人员使用本发明的基础。本领域技术人员也将认识到等效物可替代参考本文所公开的示例性实施方案所描述的元件，而不背离本发明的范畴。
[0049]尽管已经参考图中所示的示例性实施方案而特定示出并描绘了本发明，但是本领域技术人员也应认识到可作出各种修改，而不背离本发明的精神和范畴。因此，希望本公开内容不限于如所公开的特定实施方案，而是本公开内容将包括处在随附要求书的范畴内的全部实施方案。
【权利要求】
1.一种用于使用制冷单元的废热来加热食品的系统，所述制冷单元具有将压缩机连接到冷凝器的管线和流过所述管线的制冷剂，所述加热系统包括: 加热回路，其被构造来连接到所述制冷单元的所述管线并介于所述压缩机和所述冷凝器之间，所述加热回路于上游位置和下游位置连接到所述管线； 加热阀，其被连接到所述加热回路； 恒温控制器，其连接到所述加热阀并且被构造来打开所述加热阀以允许制冷剂在所述上游位置进入所述加热回路并在所述下游位置离开所述加热回路；和 贮槽热交换器，其被连接到所述加热回路并且被构造来允许制冷剂进入所述贮槽热交换器以将热量传递到食品贮槽。
2.根据权利要求1所述的加热系统，其中所述加热阀位于邻近所述上游位置之处。
3.根据权利要求1所述的加热系统，其中所述加热阀位于邻近所述下游位置之处。
4.根据权利要求1所述的加热系统，其中所述加热阀是螺线管阀。
5.根据权利要求1所述的加热系统，其还包括用于将制冷剂流限制在将所述压缩机连接到所述冷凝器的所述管线内的构件。
6.一种食品分配器制冷系统，其包括: 制冷单元，其具有 压缩机，其用来将制冷剂从低压压缩成高压；· 冷凝器，其用于冷却所述制冷剂； 旁通回路，其用于允许制冷剂在所述压缩机和所述冷凝器之间经过； 膨胀装置，其用于将所述制冷剂的一部分膨胀到较低压力；和 蒸发器，其用于与冷冻缸或容纳食品的储料器交换热量； 加热回路，其于上游位置和下游位置被连接到所述旁通回路； 加热阀，其被连接到所述加热回路； 恒温控制器，其被连接到所述加热阀并且被构造来打开所述加热阀以允许制冷剂进入所述加热回路；和 贮槽热交换器，其被连接到所述加热回路并且被构造来允许制冷剂进入所述贮槽热交换器以将热量传递给食品贮槽。
7.根据权利要求6所述的加热系统，其还包括连接到所述旁通回路的旁通阀。
8.根据权利要求7所述的加热系统，其中所述恒温控制器被连接到所述旁通阀并被构造来关闭所述旁通阀以防止制冷剂进入所述旁通回路。
9.根据权利要求6所述的加热系统，其还包括连接到所述旁通回路以沿着所述旁通管线产生压降的限制元件。
10.根据权利要求6所述的加热系统，其中所述加热阀是螺线管阀。
11.根据权利要求7所述的加热系统，其中所述旁通阀是螺线管阀。
12.一种用于加热食品的方法，其包括: 将制冷剂从低压压缩到高压； 将高压制冷剂引导到加热回路以将热量传递给食品贮槽； 将所述制冷剂从所述加热回路引导到用于冷却所述制冷剂的冷凝器； 将所述制冷剂膨胀到较低压力；将所述低压制冷剂引导到蒸发器以接受来自冷冻缸的热量并冷却冷冻缸；和 将所述较低压力制冷剂引导到压缩机。
13.根据权利要求12所述的方法，其还包括将高压制冷剂沿着旁通回路引导到用于冷却所述制冷剂的冷凝器。
14.根据权利要求12所述的方法，其还包括监测所述食品贮槽的温度并基于所述食品贮槽的所述温度输出信号。
15.根据权利要求14所述的方法，其还包括响应于基于所述食品贮槽的所述温度输出的所述信号而在所述加热回路和所述旁通回路之间切换高压制冷剂流。
16.根据权利要求13所述的方法，其还包括限制高压制冷剂沿着所述旁通回路之流。
17.根据权利要求12所述的方法，其中: 将所述高压制冷剂引导到加热回路以将热量传递给食品的所述步骤包括将全部所述高压制冷剂引导到所述加热回路；且 将所述制冷剂从所述加热回路引导到冷凝器以冷却所述制冷剂的所述步骤包括将全部所述制冷剂从所述加热回路引导到所述冷凝器。
18.一种用于使用制冷单元的废热来加热食品的系统，所述制冷单元具有将压缩机连接到冷凝器以将高压制冷剂从所述压缩机传递到所述冷凝器的制冷剂管线，所述加热系统包括:加热回路，所述加热回路散置在所述制冷管线中与用于存储食品的贮槽成热交换关系，从而从所述压缩机传递到 所述冷凝器的全部所述高压制冷剂横贯所述加热回路。
【文档编号】F25B6/04GK103597297SQ201280027091
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2012年5月15日 优先权日:2011年6月2日
【发明者】S.M.沃德尔, R.K.纽顿, K.C.莫希尔 申请人:开利公司