用于改善热交换系统效率的装置的制作方法

相关申请的交叉引用

该专利申请要求于2014年12月22日提交的美国临时申请no.62/095,500的根据35u.s.c.第119(e)节的优先权，其内容通过引用并入本文。

本发明总体上涉及热交换系统，并且特别涉及制冷和空气调节设备。更具体地，公开了一种创新性的装置，其实现了最大制冷剂操作条件，同时减少了系统的能量消耗。

背景技术：

多年来，依赖于标准制冷剂回收利用技术的各种设备已经是可得到的，诸如具有冷却和加热能力的制冷和热泵设备。在每个相关联的设计规范的限制内，热泵设备使用户能够冷却或加热所选择的环境或者使用制冷单元来冷却期望的位置。对于这些加热和冷却任务，通常而言，气体或液体在本质上封闭的系统内被压缩、膨胀、加热或冷却，以在所选择的环境中产生期望的温度结果。

在制冷系统中使用的四个基本组件是：压缩机、冷凝器(热交换器)、蒸发器(热交换器)和膨胀阀。不管系统的规模如何，这些组件都是相同的。气态制冷剂被压缩机压缩并且被输送到冷凝器，冷凝器使得气态制冷剂液化。液态制冷剂被输送到膨胀阀并且被允许以使得逐渐膨胀到蒸发器中。蒸发成其气态形式后，气态制冷剂移动到压缩机，以重复循环。

为了使制冷剂系统高效运转，将到达膨胀阀的制冷剂完全液化是非常重要的。然而，在大多数情况下，从膨胀阀进入蒸发器的蒸气没有被完全蒸发，并且也以液相和气相这二者存在。蒸发器中的液体处于绝热状态，并且因此不能吸收或排出热量。只有当液体变成蒸气状态时，吸收才会增加。在较冷的条件下，问题尤其如此，其中制冷剂在从蒸发器出来之前没有完全蒸发并且少量的液体可能进入压缩机。由于液体不能被压缩，因此使压缩机加负载并且最终被损坏。

本发明寻求克服这个问题。提出了一种增加制冷系统的效率和经济性的全新的和改善的方法。

技术实现要素：

根据本发明的实施例，提供了一种装置(本文称为辅助被动冷凝器)，其包括腔室，该腔室具有用于接收来自冷凝器的经冷凝的液态制冷剂的制冷剂进入口和用于排出的液态制冷剂通过的排出口。该腔室由被顶部端盖以及底部端盖加盖的圆筒形成，并且在冷凝器和蒸发器之间定位在热交换系统中。制冷剂入口位于腔室的顶部区域中，并且制冷剂出口位于腔室的底部区域中。优选地，制冷剂出口被定位成不低于大约冷凝器中的最低点。

被动冷凝器还包括用于次冷却进入腔室的液态制冷剂的下管，其中下管穿过所述腔室的中心并穿过排出口。下管包括位于管底部附近的至少三个孔。

在优选实施例中，下管包括用于非冷凝的蒸气通过的顶部流入口，其中顶部流入口包括膨胀筛。

从结合附图考虑的以下描述中将更好地理解作为本发明的特征的其他新颖特征，关于组织和操作方法、连同其进一步的对象和优点。然而，应当明确地理解，附图仅用于说明和描述，并不旨在作为本发明的限制的限定。

在附加于本公开内容并且形成其部分的权利要求中具体地指出表征本发明的各种新颖特征。本发明不在于单独使用的这些特征中的任何一个，而是针对所指定功能的所有其结构的特定组合。

因此已经宽泛地概述了本发明的更重要的特征，以便可以更好地理解下面的其详细描述，并且以便更好地理解对本领域的贡献。当然，将在下文描述本发明的附加特征并且其将形成所附权利要求的附加主题。本领域技术人员将理解，本公开内容容易地基于的概念可以被利用作为用于设计用于实现本发明的若干目的的其他结构、方法和系统的基础。

因此，重要的是只要它们不脱离本发明的精神和范围，将权利要求视为包括这些等同的构造。

附图说明

当考虑到其以下详细描述时，本发明将被更好地理解，并且除上述目标之外的目标将变得明显。这样的描述参考附图，附图中：

图1是制冷系统，其示出了定位于冷凝器和蒸发器之间的本发明的辅助被动冷凝器。

图2示出了辅助被动冷凝器的横截面图。

具体实施方式

通过介绍本发明系统在其中操作的环境，以下是传统制冷系统的运作的简要描述。

可膨胀-可压缩的制冷剂被包含在包括各种制冷剂操纵组件本质上封闭的系统内并且在其中循环。在制冷系统(或者一般地热泵)中使用的四个基本组件是：压缩机、冷凝器(热交换器)、蒸发器(热交换器)、膨胀阀、以及连接组件必要的管道系统。不管系统的规模如何，这些组件都是相同的。气态制冷剂被压缩机压缩并被输送到冷凝器，冷凝器使得气态制冷剂液化。液态制冷剂被输送到膨胀阀并且被允许以使得逐渐膨胀到蒸发器中。蒸发成其气态形式后，气态制冷剂移动到压缩机，以重复循环。

如所指出的，即使本发明被优选地与制冷系统一起使用，但是也设想到了针对广义热泵系统的改装。因此，对于热泵，通过在封闭系统内反转过程，在第一和第二环境中产生加热或冷却条件。

在压缩期间，制冷剂气体压强增加并且制冷剂气体温度增加。当压缩机的气体温度/压强大于冷凝器的气体温度/压强时，气体将从压缩机移动到冷凝器。将制冷剂气体移动通过压缩机所需的压缩量称为压缩比。较低的压缩比反映较高的系统效率并且在操作期间消耗更少的能量。压缩机的冷凝器侧的气体温度/压强越高，压缩比越大。压缩比越大能量消耗越高。此外，操作冷却或热交换系统所需的能量(kw)主要由三个因素决定：压缩机的压缩比、制冷剂的冷凝温度和制冷剂的流动特性。

压缩比通过将排放压强(头)除以抽吸压强来确定。抽吸压强或排放压强任一的的任何变化都会改变压缩比。

应当注意，对于制冷系统或任何热泵系统，当执行压强计算时，通常采用绝对压强单位(psia)来进行。然而，由于热泵技术领域的大多数技术人员更熟悉计示压强(psig；gaugepressure)，因此在以下示例性计算中使用计示压强作为主要压强单位。在传统的制冷系统中，典型的排放压强为226psig(241psia)，典型的抽吸压强为68psig(83psia)。226psig除以68psig产生约2.9的压缩比。

冷凝温度是在给定压强下制冷剂气体将冷凝成液体的温度。众所周知的标准表与此数据相关。在传统的例子中，使用r22制冷剂，其压强为226psig。这产生了110华氏度的冷凝温度。在110华氏度时，进入蒸发器的每磅液态氟利昂将吸收70.052英热单位(btu)。然而，在90华氏度，每磅氟利昂将吸收75.461英热单位(btu)。因此，进入蒸发器的液态制冷剂的温度越低，吸收热量的能力越大。液态制冷剂降低每一度将系统的能力增加约0.5个百分点。

将液态制冷剂的温度与每小时移动的btu所需要的功率相关联的众所周知的标准数据表格表明，如果液态制冷剂处于120华氏度，则0.98马力(hp)将每小时移动22873btu。如果将液态制冷剂冷却至60华氏度，则只需要0.2马力来每小时移动29563btu。

现在参考图1，示出了利用本发明改装的制冷系统的示意图。系统的组件包括压缩机co、冷凝器cx、蒸发器ex、和膨胀阀ev，辅助被动冷凝器1定位于冷凝器cx和蒸发器ex之间。

图2是用于系统的创新性辅助被动冷凝器的截面图，用于冷凝并且因此次冷却(sub-cool)腔室1内的制冷剂的部分。辅助被动冷凝器优选地由圆筒5和适当材料(诸如金属、合金、或者天然或合成聚合物)的顶部端盖10以及底部端盖15制成。通常，顶部端盖10和底部端盖15通过诸如焊接、锻接、钎焊、胶合、螺纹连接等的适当手段固定到圆筒5，然而，整个腔室可以由单个单元形成，其中圆筒5和顶部端盖10和底部端盖15作为整体式结构。

液态制冷剂入口20和液态制冷剂出口25穿入被动冷凝器。优选地，制冷剂入口20位于腔室1的顶部区域中。顶部区域被限定为大约在圆筒5的中线和顶部端盖10之间，圆筒5的中线将圆筒5平分成两个更小的圆筒。优选地，制冷剂出口25位于腔室1的底部区域中。腔室1的底部区域被限定为大约在中线和底部端盖15之间。虽然其它位置也是可能的，但制冷剂出口25优选地靠近底部端盖15的中心设置。

通常，底部端盖15具有成角度或有坡度的内表面30。然而，底部端盖15可以具有其它适合构造的内表面，包括平坦的内表面。

由冷凝器cx液化的液态制冷剂经由制冷剂入口20和相关联组件进入腔室1。相关联的入口组件包括入口配件40，该入口配件将腔室1固定到来自冷凝器cx的管道系统的出口部分。入口配件40是在冷凝器cx和蒸发器ex之间的所需位置将本设备耦接到管道系统中的任何适合的部件。

为了观察腔室1内的液态制冷剂的水平，提供有观察镜45。镜45在一定位置处安装在圆筒5中以观察制冷剂水平。

下管70位于被动冷凝器的中心，具有在顶部表面处的流入口71，以及穿过出口配件50的在底部的的流出口。优选地，流入口71具有大于管的其余部分的宽度使得管几乎被成形为如同漏斗。流入口进一步用蒸气管膨胀筛(诸如网/筛子)进一步密封。优选地，网目尺寸在10微米至50微米之间变化，并且可以由铜、铝或任何含有铜的合金制成。然而，取决于下管的厚度，网目尺寸可以变化超出这个范围。来自冷凝器cx的液态制冷剂进入辅助被动冷凝器，并且流到单元底部，填充单元体积的多达几乎三分之一。至少三个孔72被设置在下管的较低部分。优选地，孔定位于圆筒的约四分之一高度处的较低区域中。流入被动冷凝器的经冷凝的液态制冷剂穿过孔并且进入下管。孔的尺寸被设计成使得在底部60处流走之前，下管的几乎一半的长度填充有制冷剂液体，从而针对出口、并且围绕下管产生涡流。

在下管底部处抽吸制冷剂穿过孔72在管内部产生真空。结果，未冷凝的制冷剂被朝着下管71的顶部流入口吸引通过蒸气管膨胀筛，使未冷凝的制冷剂进一步提升并且允许在腔室内进一步冷却。当制冷剂最终离开被动冷凝器时，它比当它进入容器时要冷得多，使得整个制冷系统更高效。使用涡流流动以及增加流入和流出线路尺寸，这种冷却状态可以被极大地改善，以与制冷单元的尺寸一致。

优选地，辅助被动冷凝器被放置在改装系统中，使得制冷剂出口25不低于冷凝器cx的最低部分。制冷剂出口25包括出口管和将本设备固定到系统的管道系统的配件50。出口配件50是在冷凝器cx和蒸发器ex之间的所需位置将本设备耦接到的管道系统的任何适合的部件。

在一个实施例中，为了获得更多的抽吸，作为下管的返回管线可以被增大。通过增加流入管道尺寸与流出管道尺寸的比，还可以增强制冷剂流动。这提供了用于在次级冷凝器或补充(辅助)被动冷凝器内制冷剂的充分地冷却所需要的更多的低压强。

随着低压区的形成，少量的制冷剂进入下管的较低端的孔，产生真空并且允许制冷剂所携带的热量气泡继续冷凝，以便于允许下游地向膨胀阀递送的制冷剂在其内部具有较少的未冷凝的制冷剂，从而改善了系统的操作。

在另一个优选实施例中，该系统还包括并入到膨胀阀下游的制冷剂路径内并且在盘管之前的雾化器。雾化器优选地包括增量膨胀设备盘，其在后侧形成低压区。制冷剂然后通过一组固定平面以螺旋方式集中。这形成了继续通过制冷剂盘管的涡流，确保通过盘管的均匀流动以增加盘管效率并减少制冷剂淤积。热交换器用于去除膨胀设备捕获的任何热量。

通过添加具有绝热的次冷却的冷凝器控制器，有可能使用可调节恒温器膨胀阀(ev)来调整制冷系统。正如恒温器膨胀阀针对蒸发器处的不同条件进行调节一样，该冷凝器控制也允许在不同的条件下调节冷凝器。

上文的公开内容足以使得本领域普通技术人员能够实践本发明，并且提供本发明人目前预期到的实施本发明的最佳模式。虽然本文提供了本发明的优选实施例的完全和完整的公开，但是不希望将本发明限于所示出和所描述的确切结构、尺寸关系和操作。在不脱离本发明的真实精神和范围的前提下，各种修改、替代构造、改变和等同物将是本领域技术人员容易想到的，并且可以被适当地使用。这种改变可能涉及替代材料、组件、结构布置、尺寸、形状、形式、功能、操作特征等。因此，上文的描述和说明不应被解释为限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求限定。