用于级联制冷系统的温差环流系统的配置的制作方法
【专利摘要】本申请提供用于制冷系统的温差环流系统。该温差环流系统可包括第一流入口、倾斜的第二流入口和混合流出口。倾斜的第二流入口可包括相对于所述混合流出口成约四十五度或更小的角度θ1。
【专利说明】
用于级联制冷系统的温差环流系统的配置
[0001] 相关申请
[0002] 本申请是要求2015年2月11日提交的序列号为62/114,603的美国临时申请优先权 的非临时申请。序列号62/114,603的美国临时申请通过全文引用合并于本文。
技术领域
[0003] 本申请及由此产生的专利通常涉及制冷系统，尤其涉及一种级联制冷系统，其使 用与级联蒸发器-冷凝器低端冷却循环组件连通的温差环流系统。
【背景技术】
[0004] 级联制冷系统通常包括第一端冷却循环，即高端冷却循环，以及第二端冷却循环， 即低端冷却循环。两个冷却循环通过普通的热交换器，即级联蒸发器-冷凝器接合。级联制 冷系统可以高效方式在非常低的温度提供冷却。
[0005] 目前的制冷趋势促使采用氨、二氧化碳，及其他类型的天然制冷剂来代替常规的 基于氟烃的制冷剂。级联制冷系统可在高循环中采用氨并在低循环中采用二氧化碳。此外， 人们有兴趣于至少与常规的基于氟烃的系统相比改善这种基于天然制冷剂的制冷系统的 整体效率。
[0006] 因此，希望有这样的改善的制冷系统，例如级联制冷系统，其使用天然或其他类型 的制冷剂为冷却提供增加的效率。这种改善的制冷系统可适应以有效、可靠和安全方式对 低温级联冷却所需的高压。
【发明内容】
[0007] 本申请及由此产生的专利因而提供用于制冷系统的温差环流系统。该温差环流系 统可包括第一流入口，倾斜的第二流入口，和混合流出口。倾斜的第二流入口可包括相对混 合流出口成约四十五度或更小的角度Θ1。与垂直取向相比，倾斜的流可改善质量流量或降 低第一入口流和混合出口流的压力。
[0008] 本申请及由此产生的专利还提供对级联蒸发器-冷凝器改善制冷剂质量流量或减 少制冷剂压力损失的方法。该方法可包括如下步骤:为温差环流系统提供与级联蒸发器-冷 凝器相连通的出口，从第一源提供第一制冷剂流，从第二源提供第二制冷剂流，以小于约九 十度的角度混合第一制冷剂流和第二制冷剂流，以及通过温差环流系统出口向级联蒸发 器-冷凝器提供混合的制冷剂流。
[0009] 本申请及由此产生的专利还提供用于制冷系统的温差环流系统。该温差环流系统 可包括与液气分离器罐相连通的罐入口，与一个或多个压缩机相连通的倾斜的压缩机入 口，以及与级联蒸发器-冷凝器相连通的级联出口。倾斜的压缩机入口可包括相对于级联出 口成约四十五度或更小的角度Θ1。
[0010] -旦结合附图及所附权利要求书阅读以下详细的说明书后，本申请及由此产生的 专利的这些和其他特征及改进对本领域技术人员将是显而易见的。
【附图说明】
[0011] 图1是具有高端循环和低端循环的已知级联制冷系统的示意图。
[0012] 图2是在已知级联制冷系统中使用的温差环流系统配置的示意图。
[0013] 图3是已知温差环流系统配置的可替换实施例。
[0014] 图4是本文描述的具有改善的质量流量或降低的压力损失的温差环流系统配置。
[0015] 图5是本文描述的温差环流系统配置的可替换实施例。
[0016] 图6是本文描述的温差环流系统配置的可替换实施例。
【具体实施方式】
[0017] 现在参照附图，在这几个图中相同的数字指代相同的元件，图1示出级联制冷系统 100的一个例子。级联制冷系统100可用于冷却例如超市、冷存储等中使用的任何类型的室。 级联制冷系统100也可应用于其他类型的加热、换气、以及空气调节应用和/或不同类型的 商业和/或工业应用。整体级联制冷系统100可具有任意合适的尺寸或功率。其他类型的制 冷系统、循环和组件也可在此使用。
[0018] 通常地描述，级联制冷系统100可包括第一或高端循环110和第二或低端循环120。 高端循环110可包括一个或多个高端压缩机130、高端油分离器140、高端冷凝器150,高端接 收器160,和高端膨胀装置170。高端循环110还可包括吸入/液体热交换器180和吸入收集器 190。高端循环110可包括制冷剂200的流。制冷剂200可包括氨或其他类型制冷剂的流。高端 循环110组件可具有任何合适的尺寸、形状、配置或功率。高端循环110可在此使用其他及额 外的组件及配置。
[0019] 低端循环120类似地可包括一个或多个低端压缩机210、低端油分离器220、低端液 气分离器罐230、一个或多个低端膨胀装置240以及一个或多个低端蒸发器250。低端循环 120可包括具有栗270和多个流量阀280的中间(medium)温度回路260以及低温回路290。收 集器300也可在此使用。低端循环120可包括制冷剂310的流。制冷剂310可包括二氧化碳或 其他类型制冷剂的流。低端循环120组件可具有任何合适的尺寸、形状、配置或功率。低端循 环120可在此使用其他的或额外的组件及配置。
[0020] 两个循环110、120可通过级联蒸发器/冷凝器320接合。制冷剂200、310的各自的流 可通过级联蒸发器/冷凝器320交换热量。级联蒸发器/冷凝器320可具有任何适合的尺寸、 形状、配置或功率。其他组件或其他配置可在此使用。
[0021] 制冷剂200可被高端压缩机130压缩并在高端冷凝器150中冷凝。制冷剂200可存储 在高端接收器160内并可按需要被抽出以满足级联蒸发器/冷凝器320的负载。制冷剂200然 后可通过吸入/液体热交换器180、高端膨胀装置170和级联蒸发器/冷凝器320。制冷剂200 再次通过吸入/液体热交换器180并返回高端压缩机130。吸入/液体热交换器180可被用来 在制冷剂200进入级联蒸发器/冷凝器320之前对其进行低温冷却。其他组件和其他配置可 在此使用。
[0022] 低端循环120可以是相似的。基于二氧化碳的制冷剂310可被低端压缩机210压缩， 然后通过级联蒸发器/冷凝器320。制冷剂310可被储存在低端液气分离器罐230内并按需要 抽出。制冷剂310可通过一个或多个低端膨胀装置240和一个或多个低端蒸发器250。低端循 环120可分为低温回路290和中间温度回路260。其他组件和其他配置可在此使用。
[0023]低端循环120也可使用温差环流系统330。基于热梯度而非诸如栗及类似物的机械 装置，温差环流系统330保证了流体(在本案中是制冷剂310)的循环。在该例子中，温差环流 系统330可具有与低端液气分离器罐230相连通的罐入口 340，与低端压缩机210相连通的压 缩机入口 350，和与级联蒸发器-冷凝器320相连通的级联出口 360。
[0024]使用中，二氧化碳制冷剂310的液/气流可被转移到低端液气分离器罐230,在液气 分离器罐230内进行液气分离。气体部分可经过温差环流系统330被送至级联蒸发器-冷凝 器320,并与离开低端压缩机210的气体混合以将蒸气冷凝成液体。其他组件和其他配置可 在此使用。
[0025]图1和图2示出温差环流系统330的常规配置的例子。压缩机入口 350与级联出口 360处于一行。罐入口 340可以约九十度(90°)角以垂直关系并入以便为温差环流系统330提 供实质上为罐类似"T"的形状370。图3示出相似的配置，其中罐入口 340与级联出口 360处于 一行，且对于压缩机，压缩机入口 350以类似"T"的形状380垂直地并入。无论两种取向中的 哪一种，数种流以约垂直角度合并。
[0026]经过罐入口 340的来自低端液气分离器罐230的流可被认为第一流390。来自压缩 机210去往压缩机入口 350的流可被认为第二流400。假如使用垂直配置，通过压降敏感的温 差环流系统330造成各种流的中断可能就成为操作上及效率上的问题。在常规级联系统中， 经过罐入口 340的第一流390可处于约435.07psia(约3000kpa)，温度约22华氏度(约-5.5摄 氏度)并具有约0.17或0.18kg/s的质量流量。经过压缩机360的第二流400可处于约145华氏 度(约63摄氏度)并具有约0.09kg/s的质量流量。合并后，在级联出口 360处的混合的出口流 410可处于约434.87psia(约2998kpa)，约45华氏度（约7.2摄氏度)并具有约0.26或0.27kg/ s的质量流量。其他压力、温度、质量流量以及其他参数可在此使用。
[0027]图4示出本文描述的温差环流系统420的一个例子。温差环流系统420可具有与级 联出口 440成一行的罐入口 430。替代上文描述的压缩机入口 350以垂直取向并入罐入口 340，温差环流系统420可包括倾斜的压缩机入口 450。倾斜的压缩机入口 450可相对罐入口 430或级联出口 440的中心线以角度Θ1设置。角度Θ1优选可从约大于约零度(〇°)至约四十五 度(45°)左右。其他角度可在此使用。其他组件和其他配置可在此使用。
[0028]图5示出本文描述的温差环流系统460的进一步的例子。在该例子中，温差环流系 统460可包括倾斜的罐入口 470和/或倾斜的压缩机入口 480。入口 470、480然后可合并进级 联出口 490以形成实质上的类似?'的形状。倾斜的罐入口 470可相对级联出口 490的中心线 以角度Θ2设置。角度Θ2优选从约大于约零度(0°)至约四十五度(45°)左右。其他角度可在此 使用。倾斜的压缩机入口 480也可使用与上文描述的相似的角度Θ1。具体地，角度Θ1和Θ2可 以相同或不同。其他组件和其他配置也可在此使用。
[0029]下表示出针对图2和3的温差环流系统330以及图4和5的温差环流系统420、460的 质量流量的变化。这种比较假定在罐入口处压力和温度相同，在压缩机入口处质量流量和 温度相同，在级联出口处压力和温度相同。进入罐入口的和离开级联出口的质量流量将会 变化。对于图4的温差环流系统420中的倾斜的压缩机入口 450,角度Θ1从六度(6°)变化至约 九十度(90°)。同样，对于温差环流系统460的倾斜的罐入口470和倾斜的压缩机入口 480，角 度Θ1从约十度（10°)变化至约三十度(30° )，且Θ2从约三度(3°)变化至约三十度(30°)。质量 流量中的各种改变因而根据千克每秒被示出。
[0030]
[0031 ] 罐入口流量和级联出口流量因而相对于图2和图3的垂直配置出现变化和改善。使 用约六度（6°)至约^^一度（11° )的角度改善了级联出口处的质量流量从约0.26kg/s至约 0.33kg/s或增加了约百分之四^^一(41%)。相较于垂直角度的设置，改变第二流400相对第 一流390的角度因而提供了增大的第一流量和/或对相同的入口速度提供了沿第一流减少 压力下降。
[0032]图6示出本文描述的温差环流系统500的进一步实施例。在该例子中，温差环流系 统500可包括罐入口 510和一字排列的级联出口 520。在该例子中，温差环流系统500可包括 倾斜的压缩机入口 530。倾斜的压缩机入口 530的角度Θ1因而可变化。倾斜的压缩机入口 530 可具有可变的直径540。同样，可变直径540的直径可变。变化的角度和直径也可被用于罐入 口 510。罐入口 510可具有约1-3/8英寸(约34.9毫米)左右的直径。其他组件和其他配置可在 此使用。
[0033] 下表示出假设上文描述的罐入口 510不变而改变角度Θ1及直径从约0.4英寸（约 10.2毫米)至约一 (1)英寸(约25.4毫米)变化的例子。
[0034]
[0036]将具有约三十度的角度Θ1约10.2毫米的可变直径540用于倾斜的压缩机入口 530 因此相对图2的基线带来大于100%的改善。具体地，来自压缩机210的更高的第二流可从液 气分离器罐230抽出更多的制冷剂310而不发生在较小直径的射流的情况下阻塞流动的情 况。同样，倾斜的压缩机入口 530和罐入口间的直径比例从约0.7至约0.3变化，优选至少0.5 的比例。
[0037] 取决于操作参数，也可动态设置可变直径540。例如，可变直径540可根据整体系统 的负荷及类似情况进行变化。此处可考虑其他参数。虽然本文中的温差环流系统致力于使 用二氧化碳制冷剂310,但本文描述的温差环流系统可被用于合并任何类型的第一流和第 二流。
[0038]应当理解，前文仅涉及本申请及由此产生的专利的某些实施例。在不脱离由下面 的权利要求及其等同方案限定的本发明的通常精神及范围的情况下，本领域技术人员可对 本申请作出许多改变和改进。
【主权项】
1. 一种用于制冷系统的温差环流系统，包括： 第一流入口； 倾斜的第二流入口；和 混合流出口； 其中，所述倾斜的第二流入口包括相对于所述混合流出口成约四十五度或更小的角度 θ?ο2. 如权利要求1所述的温差环流系统，其中所述第一流入口包括与液气分离器罐相连 通的罐入口。3. 如权利要求1所述的温差环流系统，其中所述第二流入口包括与一个或多个压缩机 相连通的压缩机入口。4. 如权利要求1所述的温差环流系统，其中所述混合流出口包括与级联蒸发器-冷凝器 相连通的级联出口。5. 如权利要求1所述的温差环流系统，其中所述第一流入口包括倾斜的第一流入口。6. 如权利要求5所述的温差环流系统，其中所述倾斜的第一流入口包括相对于所述混 合流出口成约四十五度或更小的角度Θ2。7. 如权利要求5所述的温差环流系统，其中所述倾斜的第一流入口、倾斜的第二流入口 和混合流出口包括实质上类似Υ的形状。8. 如权利要求6所述的温差环流系统，其中角度Θ1等于角度Θ2。9. 如权利要求6所述的温差环流系统，其中角度Θ1与角度Θ2不同。10. 如权利要求1所述的温差环流系统，其中角度Θ1相对于所述混合流出口为三十度或 更小。11. 如权利要求1所述的温差环流系统，其中角度Θ1相对于所述混合流出口为十一度或 更小。12. 如权利要求1所述的温差环流系统，其中所述倾斜的第二流入口包括可变直径倾斜 的第二流入口。13. 如权利要求12所述的温差环流系统，其中所述可变直径倾斜的第二流入口包括 10.2毫米或更小的直径。14. 如权利要求12所述的温差环流系统，其中所述可变直径倾斜的第二流入口和第一 流入口包括约0.5或更小的直径比例。15. -种对级联蒸发器-冷凝器改善制冷剂质量流量或减少制冷剂压力损失的方法，包 括： 为温差环流系统提供与所述级联蒸发器-冷凝器相连通的出口； 从第一源提供第一制冷剂流； 从第二源提供第二制冷剂流； 以小于约九十度的角度混合所述第一制冷剂流和第二制冷剂流;并通过所述温差环流 系统的出口将混合的制冷剂流提供给所述级联蒸发器-冷凝器。
【文档编号】F25B41/00GK105865093SQ201610082655
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年2月5日
【发明人】奥古斯托·J·偑雷拉·齐默尔曼, 达勒·N·赛兹莫尔, 小罗伯特·H·奥斯汀
【申请人】西克制冷产品有限责任公司