具有用于再加热功能的中间冷却器的制冷系统的制作方法

专利名称：具有用于再加热功能的中间冷却器的制冷系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及制冷系统，其中压缩机为两级压缩机，以及其中两个压缩 级之间设置有中间冷却器.中间冷却器放置在移动越过室内换热器的空气 流中，优选地，相对于空气流放置在室内换热器的下游，使得中间冷却器 换热器也提供再加热功能.
背景技术：
制冷系统是已知的并用于调节二次流体，例如待输送到气候受控环境 中的空气。通常，压缩机压缩制冷剂并将该制冷剂输送到室外换热器，室 外换热器在亚临界应用中公知为冷凝器，在跨临界应用中公知为气体冷却 器。从室外换热器，制冷剂流经膨胀装置，然后进入公知为蒸发器的室内 交换器。
为了获得额外的容量、提高系统效率以及达到更高的压缩比，经常的 做法是在制冷系统中设置两级压缩机.采用两级压缩机，是将两个单独的 压缩机部件或两个单独的压缩机单元串联设置在制冷系统中。具体而言， 例如，在往复式压缩机的情况下，两个单独的压缩部件可由串联连接的不 同组的汽缸表示.由较低级压缩至中等压力的制冷刑从该较低级的排出口 输送到较高级的吸入口中，如果压缩机系统的压缩比是高的(两级压缩机 系统通常就是这种情况)和/或制冷剂吸入温度是高的(装备有液体吸气 换热器的制冷系统经常就是这种情况)，那么制冷剂排出温度也会变得极 高，在#>多情况下，可能超过由安全性考虑和可靠性考虑所限定的极限。 因此，本领域中公知的做法是在两个压缩级之间设置中间冷却器换热器 (或所谓的中间冷却器)以扩大运行包线和/或提高系统可靠性。在中间 冷却器中，在两个压缩级之间流动的制冷剂通常被二次流体冷却，通常， 需要附加的构件和线路系统来提供中间冷却器中的冷却。举例来说，提供 风扇或泵来从低温源移动二次冷却流体以冷却中间冷却器中的制冷剂.这
增加了提供中间冷却器功能的成本。
另一个可选的制冷系统部分为再加热线路.在再加热线路中，制冷剂 流经在已越过蒸发器的空气的路径中位于下游的换热器，随后，制冷系统的控制器可以控制蒸发器，使得其首先将空气冷却到处于待调节环境中的 人所期望的温度之下.这允许从空气中去除多余量的湿气.然后，空气向 下游流动越过再加热换热器，并被加热回到所期望的温度.在期望除湿且 不需要冷却或需要稍微冷却时，再加热线路提供从空气流中去除额外湿气
的能力，通常，再加热线路的设置确实需要附加换热器，但是，并不需要 附加的空气移动装置，因为它依靠已经设置用来移动空气使之越过蒸发器 的空气移动装置.
最近，新一代的制冷剂，例如天然制冷刑，正被用在制冷系统中.一
种非常有前途的制冷剂为二氧化碳(也公知为C02或R744 ).特别对于C02 制冷系统，中间冷却器变得甚至更加重要，因为这些系统趋向于在高的排 出温度下工作，这归因于高的工作压力、液体吸气换热器的频繁使用、以 及一般而言，C02循环的跨临界性质，以及C02制冷刑的多变压缩指数的高 数值.然而，与中间冷却器相关的线路系统和构件的附加成本使得不那么 期望设置中间冷却器。
因此，期望提供用于多级压缩机制冷系统尤其是C02制冷系统的中间冷 却器以及再加热功能，除了中间冷却器本身之外其基本上不需要任何附加 的线路系统或构件.

发明内容
在本发明的一个公开的实施例中，制冷系统引入了多级压缩机.中间 冷却器设置在串联连接的至少两个压缩级之间.中间冷却器放置成经历越 过室内换热器的气流，优选地，中间冷却器放置在室内换热器的下游，相 对于输送到已调节空间中的气流而言。从而，中间冷却器换热器也可以选 择性地提供再加热功能，优选地在期望进行除湿且只需稍微冷却或不冷却 的工作条件下.再加热功能和中间冷却器功能可以根据需要启动.例如， 当不需要中间冷却器功能时，可使制冷剂绕过中间冷却器，和/或当不需 要再加热功能时，可安装风挡以使气流绕过中间冷却器.
将中间冷却器放置在室内空气流中，这允许由单个换热器提供中间冷 却器和再加热这两种功能。此外，通过将中间冷却器放置在室内换热器的
下游，就不再需要与中间冷却器相关联的附加的空气移动装置.作为替代， 已与蒸发器相关联的空气移动装置也使空气移动跨过中间冷却器换热器， 这样，通过仅仅提供单个换热器就提供了再加热和中间冷却器这两种功能。
在本发明中，当制冷系统工作于除湿模式下时，使空气越过室内换热 器的室内空气移动装置也冷却在位于较低压缩级和较高压缩级之间的中 间冷却器中流动的制冷剂。中间冷却器增加了制冷系统的容量，提高了效 率，因为压缩机排出温度被降低了，而且室外换热器(冷凝器或气体冷却 器)能够将制冷剂冷却至更低温度，这为蒸发器提供了更大的冷却潜力。
此外，如果系统工作于跨临界循环中，例如C02跨临界循环，在该循环
中，高压侧温度和压力是相互独立的，那么排出压力不再受排出温度的限 制并可被调节至提供最佳性能水平的值.从而，制冷系统的效率和容量还 将被进一步提高.
本发明的这些特征和其它特征从下文的说明和附图中能够得到最好 的理解，以下为附图的简要描述.


图IA示出了创新性制冷系统的示意图.
图IB示出了可替代布置.
图2示出了中间冷却器制冷剂旁通布置。
图3示出了中间冷却器空气旁通布置。
具体实施例方式
图1A示出了制冷系统20,其具有较低级压缩机22和较高级压缩机24. 尽管只示出了两级，在本发明中还可以串联地引入更多级。同样，作为顺 序连接的单独的压缩机的替代，可采用多级压缩机布置，其同等地受益于 本发明。例如，对于往复式压缩机，所迷两个单独的压缩部件(22和24) 可以代表串联连接的不同组的汽缸。如已知的，由较低级压缩至中等压力 的制冷剂从该较低级的排出口输送到较高级的吸入口中.中间冷却器26位 于两级之间以便接受来自较低级22的排出口的制冷剂、用二次介质(流体) 将其冷却、以及将其向下游输送到较高级24的吸入口中，其中二次介质为， 例如，在与制冷刑进行相互传热的反应期间，吹过中间冷却器26的外传热 表面、待输送到已调节空间中的空气，再一次，如果设置了更多级的压缩， 那么附加中间冷却器也可以位于这些级之间。
在低级压缩机22中，制冷剂被从吸入压力压缩至中等压力；其流经中间冷却器26，在这里，被例如室内空气的二次介质冷却；在较高级压缩机 24中，其被从中等压力压缩至排出压力；然后，被输送到室外换热器(用 于亚临界应用的冷凝器或者用于跨临界应用的气体冷却器)30中.从室外 换热器30，制冷剂流经膨胀装置32，在这里，它从通常接近排出压力的压 力膨胀到接近吸入压力的压力，同时它的温度也被降低，然后流到蒸发器 34中。从该蒸发器，制冷剂返回到较低级压缩机22中。
空气移动装置36将空气吹过蒸发器34的外表面.该空气被输送到气候 受控环境40中.如可从图1A所理解的，中间冷却器26放置在已越过蒸发器 34的空气的路径中，并被空气移动装置36所驱动.
如已知的，制冷系统20的控制器可以控制蒸发器34中制冷剂的状态， 使得其将该空气冷却到处于气候受控环境40中的人所期望的温度之下.以
这种方式，如所期望的，可从空气中去除额外量的湿气.该空气随后顺次 地越过中间冷却器26，并可被加热回到已调节环境40中所期望的温度。当 中间冷却器中的制冷剂加热输送给已调节环境40的空气时，制冷剂本身被 冷却，这提高了制冷系统20的性能(容量、效率和可靠性)。因此，既提 供了再加热功能，又提供了中间冷却器功能，而所需的仅仅是单个附加换 热器26。
当制冷系统20在冷却模式下工作时，中间冷却器26提高了系统的容量 和效率，因为压缩机排出温度被降低了，而且室外换热器30 (再说一次， 冷凝器或气体冷却器)能够将制冷剂冷却至更低温度，这为进入蒸发器34 的制冷剂提供了更大的冷却潜力.由于在压缩过程中去除了热，因此所需 的压缩机功率也被降低了，而且，室外换热器30的工作压力也被降低了. 此外，如果制冷系统20工作在跨临界循环中，例如C(h跨临界循环，在该循 环中，高压侧温度和压力是相互独立的，那么排出压力不再受排出温度的
限制并可被调节至对应于最佳性能水平的值.另外，在亚临界循环和跨临 界循环中，从较高压缩级24排出的制冷剂的温度被降低了，这提高了压缩 机的可靠性。因此，制冷系统20的性能(效率和容量)得到了提高并且压 缩机的可靠性也有所改善。
本发明在使用C02作为制冷剂的热泵中特别有用，因为C(h制冷剂具有 高数值的多变压缩指数，而且这种系统的排出工作压力和压力比可以非常 高，这导致高于正常的排出温度，尽管如此，本发明还将延及使用其它制 冷刑的制冷系统。应该注意，本发明并不限于图1A所示的系统，因为真实的制冷系统可 包括附加构件，例如，诸如液体吸气换热器、再加热线闺、附加中间冷却 器、节热换热器或闪蒸箱.同样，单个的压缩级可包括若干个布置成一前 一后的压缩机。压缩机可为可变容量的类型，包括可变速度和多级速度构 型。另外，压缩机可具有多种卸栽选择，包括中等压力到吸入压力旁路布 置，另一方面，压缩机可内部卸栽，例如，通过间歇地将固定涡管和环行 涡管彼此分开.这些系统构型不限于特定的压缩机类型，可以包括涡旋式 压缩机、螺杆式压缩机(单转子或多转子构型)、往复式压缩机(其中， 例如， 一些汽缸被用作较低压缩级，另一些汽缸被用作较高压缩级)、以 及旋转式压缩机。制冷系统也可以由多个分开的线路组成.本发明也将适 用于宽广范围的系统，例如，包括移动集装箱单元、卡车拖车和汽车系统、 包装好的商业屋顶式单元、超市用设备、宅用单元、环境控制单元等等。
同样，应该理解，在一些情况下，将中间冷却器26相对于室内气流而 言放置在蒸发器34的上游是有利的。例如，如果蒸发器34具有不期望地低 的显热比(显热容量与潜热容量的比)或者如果需要提高蒸发器34的容量， 那么中间冷却器26可以放置在蒸发器34的上游，在这些应用中，如图1B所 示，
图2展示了本发明的另一个实施例，其中，三通阀48放置在较低压缩 级22和较高压缩级24之间，并允许在不需要中间冷却器和/或再加热功能 时，制冷剂选择性地绕过中间冷却器26。在这种情况下，制冷系统20的控 制器(未示出)将三通阀48移动到旁通位置，使得制冷剂直接从较低压 缩级22流向旁通管线52，经过三通阀48，流向旁通管线54并随后进入较高 压缩级24。因此，在这种工作模式下，从有效制冷刑线路中排除了中间冷 却器26。另一方面，当需要中间冷却器功能和/或再加热功能时，将三通 阀48移动到常规位置，使得允许制冷剂流经过中间冷却器26 (以及互连管 线46和50),制冷系统20恢复其如上所述的正常工作。另外，可在互联管 线50上放置检验阀44，以防止制冷剂在从有效制冷剂线路中排除了中间冷 却器26时进行迁移。
如本领域所公知的，可用一对常规阀来代替三通阀48。另外，如果需 要对再加热和/或中间冷却器功能进行更灵活的控制，那么三通阀48 (或 替代用的那对常规阀)可由制冷系统20的控制器使其工作在脉动模式或调 制模式下。图3示出了本发明的又一个实施例，在这个设计中，针对室内气流， 在蒸发器34和中间冷却器26之间放置了室内空气隔板(或风挡).如果风 挡62为非有效的(位置100)，那么既提供了再加热功能也提供了中间冷 却器功能，因为室内空气流流过中间冷却器26的外表面.在不需要再加热 功能的情况下，可由制冷系统20的控制器(未示出)来致动室内空气隔板 62。当室内空气隔板62被升起，它阻止了室内空气流过中间冷却器26的外 表面，从而抑制了再加热功能.即使在室内空气隔板62已被致动时中间冷 却器26中没有发生有效的对流传热，也将仍然提供一些有限的中间冷却器 功能，因为中间冷却器26放置在制冷系统20的冷区域中.
此外，如果需要对再加热功能或中间冷却器功能进行更灵活的控制， 那么可以将室内空气隔板62连续地或离散地控制到完全致动位置和未被 致动位置之间的若干个中间位置上。
而且，必须理解，室内空气隔板62可被室内气流控制的其它装置所替 代，例如，诸如一叠百叶窗或任何其它本领域已知的技术.
虽然公开了本发明的优选实施例，但本领域的普通技术人员将认识 到，可在本发明的范围内进行一定的修改.为此，应该研读下面的权利要 求以确定本发明的真正范围和内容。
权利要求
1.一种制冷系统，包括压缩机组件，其包含至少两个串联连接的压缩级，较低压缩级将制冷剂从吸入压力压缩到中等压力并将该制冷剂传送到较高压缩级，较高压缩级将制冷剂从中等压力压缩至排出压力，在所述较低压缩级和较高压缩级之间放置有中间冷却器；室外换热器，其放置在所述压缩机组件的下游；膨胀装置，其放置在所述室外换热器的下游，以及室内换热器，其放置在所述膨胀装置的下游；以及空气移动装置，其用于使空气移动越过所述室内换热器，所述中间冷却器放置成使得其处在由所述空气移动装置所驱动的空气流的路径中。
2. 权利要求l的制冷系统，其中，所述中间冷却器相对于气流路径 而言放置在所述室内换热器的下游。
3. 权利要求l的制冷系统，其中，所述中间冷却器相对于气流路径 而言放置在所述室内换热器的上游。
4. 权利要求1的制冷系统，其中，所述制冷系统中的制冷剂为CO"
5. 权利要求1的制冷系统，其中，所述至少两级压缩级放置在一个 压缩机中。
6. 权利要求1的制冷系统，其中，所述至少两个压缩级体现为分开 的压缩机。
7. 权利要求1的制冷系统，其中，所述制冷系统至少部分地工作在 跨临界循环中.
8. 权利要求1的制冷系统，其中，所述制冷系统至少部分地工作在 亚临界循环中。
9. 权利要求1的制冷系统，其中，至少一个压缩级为独立的压缩机。
10. 权利要求1的制冷系统，其中，所述至少两级压缩级包含至少一个往复式压缩机。
11. 权利要求l的制冷系统，其中，所述至少两级压缩级包含至少一个涡旋式压缩机。
12. 权利要求1的制冷系统，其中具有旁路，用于使制冷剂绕过所述 中间冷却器并从所迷较低压缩级直接流向所述较高压缩级。
13. 权利要求12的制冷系统，其中，所述旁路由制冷剂流控制装置 控制。
14. 权利要求13的制冷系统，其中，所述制冷剂流控制装置为三通 阀和一对常规电磁阀之一。
15. 权利要求13的制冷系统，其中，所述制冷刑流控制装置能够被 调制或脉动以控制再加热功能和中间冷却器功能中的至少一个。
16. 权利要求1的制冷系统，其中具有气流旁通装置，用于使已经越 过所述室内换热器的气流绕过所述中间冷却器.
17. 权利要求16的制冷系统，其中，所述气流旁通装置为旁通隔板和一叠百叶窗之一。
18. 权利要求16的制冷系统，其中，所述气流旁通装置至少具有完全打开位置和完全关闭位置。
19. 权利要求18的制冷系统，其中，所述气流旁通装置被控制到所 述完全打开位置和完全关闭位置之间的若干离散中间位置上。
20. 权利要求18的制冷系统，其中，所述气流旁通装置被连续地控 制在所述完全打开位置和完全关闭位置之间.
21. —种操作制冷系统的方法，包括以下步猓(1) 提供压缩机组件，其包含至少两个串联连接的压缩级，较低 压缩级将制冷剂从吸入压力压缩到中等压力并将该制冷剂传送到较高 压缩级，较高压缩级将制冷剂从中等压力压缩至排出压力，在所述较 低压缩级和较高压缩级之间放置有中间冷却器；(2) 提供室外换热器，其放置在所述压缩机组件的下游；(3) 提供膨胀装置，其放置在所述室外换热器的下游，并提供室 内换热器，其放置在所述膨胀装置的下游；以及(4) 使空气移动越过所述室内换热器，所述中间冷却器放置成使 得其处在移动越过所述室内换热器的空气流的路径中.
22. 权利要求21的方法，其中，所述中间冷却器相对于气流路径而 言放置在所述室内换热器的下游。
23. 权利要求21的方法，其中，所述中间冷却器相对于气流路径而 言放置在所述室内换热器的上游。
24. 权利要求21的方法，其中，所述制冷系统中的制冷剂为C02。
25. 权利要求21的方法，其中，所述制冷系统至少部分地工作在跨临界循环中.
26. 权利要求21的方法，其中，所述制冷系统至少部分地工作在亚 临界循环中.
27. 权利要求21的方法，其中具有旁路，用于使制冷剂绕过所述中 间冷却器并从所述较低压缩级直接流向所述较高压缩级.
28. 权利要求27的方法，其中，所述旁路由制冷剂流控制装置控制.
29. 权利要求28的方法，其中，所述制冷刑流控制装置为三通岡和 一对常规电磁阀中的一个。
30. 权利要求28的方法，其中，所述制冷剂流控制装置能够被调制 或脉动以控制再加热功能和中间冷却器功能中的至少一个.
31. 权利要求21的方法，其中具有气流旁通装置，用于使已经越过 所述室内换热器的气流绕过所述中间冷却器.
32. 权利要求31的方法，其中，所述气流旁通装置为旁通隔板和一 叠百叶窗中的一个.
33. 权利要求31的方法，其中，所述气流旁通装置至少具有完全打开位置和完全关闭位置。
34. 权利要求33的方法，其中，所述气流旁通装置被控制到所述完 全打开位置和完全关闭位置之间的若干离散中间位置上.
35. 权利要求33的方法，其中，所述气流旁通装置被连续地控制在 所述完全打开位置和完全关闭位置之间.
全文摘要
提供了一种制冷系统，其具有至少两个串联连接的压缩级。中间冷却器放置在两级之间并被室内空气流所冷却。中间冷却器放置在越过室内换热器的气流的路径中，优选地，放置在室内换热器的下游，相对于该气流路径而言。中间冷却器冷却在两个压缩级之间流动的制冷剂并提供再加热功能。在不需要附加线路系统或构件来提供中间冷却器功能和再加热功能的情况下就实现了关于系统性能(效率、容量和可靠性)方面的益处。本发明对于工作于跨临界循环中的CO₂制冷系统尤为重要。介绍了关于中间冷却器功能和再加热功能的控制方法。
文档编号F25B1/10GK101568771SQ200680056744
公开日2009年10月28日 申请日期2006年12月21日 优先权日2006年12月21日
发明者A·利夫森, M·F·塔拉斯 申请人:开利公司