具有串轴式压缩机、膨胀器和经济器的CO₂制冷剂系统的制作方法

专利名称：具有串轴式压缩机、膨胀器和经济器的CO₂制冷剂系统的制作方法
技术领域：
本申请涉及一种制冷剂系统，在该制冷剂系统中使用膨胀器，以通 过从膨胀过程收回能量和利用该能量为至少 一个系统部件提供动力来 提供更有效率的膨胀过程。部分制冷剂从膨胀器内的一个位置处分流， 该部分制冷剂在该位置处已至少部分膨胀，随后利用分流的制冷剂过冷 经济器换热器内的主制冷剂流。按照这种方式，单个膨胀器可为制冷剂 系统提供主膨胀装置功能和经济器膨胀装置功能，并增强该主膨胀装置 功能和经济器膨胀装置功能。此外，制冷剂系统包括多个串轴式压缩机，
只有部分压缩机可以被经济化。最后，制冷剂系统可充注C02制冷剂，
该系统至少部分时间运行在跨临界循环中。
背景技术：
制冷剂压缩机使制冷剂循环通过制冷剂系统以调节次级流体。典型 地，压缩机压缩制冷剂并将该制冷剂输送至第一换热器。来自第一换热 器的制冷剂通过膨胀装置，在该膨胀装置中制冷剂的压力和温度被降 低。在膨胀装置的下游，制冷剂流过第二换热器，然后回至压缩机。
制冷剂系统设计中的 一种选择是使用经济器，或所谓的蒸气注入功 能。在经济器功能中，部分制冷剂在第一换热器下游从主制冷剂流分流。 该分流的制冷剂经过膨胀装置，被膨胀到中间压力和中间温度，然后该 部分膨胀的分流制冷剂进入经济器换热器，与主制冷剂流发生换热。通 过这种方式，主制冷剂被过冷，使得它在到达第二换热器时会具有更大 的热力学势能。典型地处于过热热力学状态中的分流制冷剂，返回至处 于经济器换热器下游的压缩机内的中间压缩点。
还已知的是提供并行操作的至少两个压缩机，即已知的"串轴式" 压缩机。串轴式压缩机配置允许通过选择性接合这些串轴式压缩机来控 制制冷剂系统所提供的总容量。此外，这些串轴式压缩机全部或只有部 分可以被经济化，经济器功能可以启用或停用，以使制冷剂系统输送的 容量精确匹配受调节空间内的热负荷需求。
在制冷剂系统中利用的另 一特征是使用膨胀器以提供更有效率的所谓主动膨胀过程(该过程可严格遵循等熵线，而不是诸如膨胀阀和固 定节流装置的所谓被动膨胀装置的等焓线)。膨胀器可具有各种设计， 如离心式、涡旋式、旋转式、螺杆式、轴连接活塞式、自由活塞式或任 何其他类型。
在制冷剂系统中使用的制冷剂如今各不相同，越来越多的设备充注
天然制冷剂。CCb (也称为二氧化碳或R744)就是这样一种制冷剂，其 应用越来越广泛，如超市制冷，陈列拒，饮料冷却器，运输制冷，环境 控制单元等。特别是，C02制冷剂可大大受益于上述任何系统的增强方 案，尤其在跨临界应用中。然而，迄今尚无包括膨胀器、串轴式压缩机 和经济器循环结合在一起的制冷剂系统，这种系统提供操作选择和增强 特征的强大组合。

发明内容
在本发明公开的 一种实施方式中，利用膨胀器提供更有效率的主动 膨胀过程以从该膨胀过程潜在地收回能量，并利用该能量为至少一个制 冷剂系统部件提供动力。通过更有效率的膨胀过程(减少不可逆损失) 并至少部分回收膨胀过程的能量，膨胀器提高了制冷剂系统的容量和效 率。此外，在膨胀器中(或经过膨胀器的第一级)已部分膨胀的部分制 冷剂被分流，该部分制冷剂流过经济器换热器，与主制冷剂流进行换热。 该分流的制冷剂在中间压力下#皮注回压缩才几(单个压缩机或由多个压缩 机串联组成的多级压缩机系统)。全部或只有部分压缩机可以经济化。 退出经济器换热器的主制冷剂具有更高的热力学势能以提高制冷剂系 统的性能。此外，制冷剂系统包括至少两个串轴式压缩机，其与经济器 功能一起，允许有效率的系统卸载以及使输送的系统容量与受调节空间 中的热负荷需求精确匹配。直接或间接地通过能量转换装置，膨胀器可 以转移从膨胀过程回收的能量，以至少部分地为这些串轴式压缩机之一 提供动力。如公开的制冷剂系统可使用诸如CCh的天然制冷剂。推荐的 制冷剂系统增强方案对于运行在跨临界循环中的C02制冷剂系统特别有 利。
经济器循环、膨胀器和串轴式压缩机的组合设置能够根据受调节空 间中的热负荷需求调整制冷剂系统提供的容量，并能够通过更有效率的 膨胀过程、经济器循环和能量回收来提高制冷剂系统的性能，特别是提高运行在跨临界循环中的C02制冷剂系统的性能。
在一种实施方式中，部分制冷剂从膨胀器中的单个中间分支分流， 该部分制冷剂流过经济器循环中的经济器换热器。在另一种实施方式 中，有两个这样的分支，这两个分支处于与两个经济器换热器相关的不 同中间压力级别处。当然，本领域技术人员会认识到，在本发明范围内 可以有更多的分支和经济器回路，并可以同等地受益于本发明。
通过以下的说明和附图中，可以;[艮好地理解本发明的这些和其他特 点，接下来是附图的简要说明。


图l显示了本发明的第一制冷剂系统的示意图2显示了第二示意图3A显示了笫三示意图3B显示了图3A描绘的制冷剂系统的替代性的串轴式压缩机配置。
具体实施例方式
图1例示了制冷剂系统20。如图所示，两个压缩机22和24成串轴操 作以提供压缩制冷剂，并将该制冷剂传送到整个制冷剂系统20。显然， 多于两个的压缩机可并联布置，并根据受调节空间内的热负荷需求同时 或单个地操作。尽管在图l所示的常规配置中，这些串轴式压缩机具有 共同的吸气集管和共同的排气集管，如本领域技术人员所知的，但是这 些串轴式压缩机也可具有共同的吸气集管和单独的排气管路，以及具有
单独的吸气管路和共同的排气集管。此外，如本领域技术人员所知的， 串轴式压缩机22和24可具有油和蒸汽的平衡管路(未图示)。
压缩制冷剂流过换热器26，并流至下游的膨胀器28。如本领域技术 人员所知的，换热器26在亚临界应用中为冷凝器，在跨临界应用中则为 单相换热器或气体冷却器。如上面所提及的，人们已知使用主动膨胀器 替代被动膨胀装置，如膨胀阀或固定节流膨胀装置，在该主动膨胀器中 来自更有效等熵膨胀过程的能量被收回，并被用于供动力给或驱动(至 少部分地)至少一个制冷剂系统部件，如压缩机22或24之一 (其示意性 地显示在29处)。该能量的回收和转移可直接或间接进行。例如，对于 直接能量回收，膨胀器28和压缩机22可定位在同一轴上或通过机械传动装置连接。另一方面，对于间接能量回收，来自膨胀过程的能量可转换
成电能，该电能进而协助驱动压缩机22。在膨胀器28的下游，制冷剂流 过蒸发器30,然后回至压缩机22和24。经济器换热器32结合在制冷剂系 统20的回路内。人们已知经济器功能允许额外的卸载级以及性能(能力 和效率)的提高。
部分制冷剂从分支管路51分流并流过经济器换热器48,分支管路51连 接至膨胀器28中的中间膨胀端口 。分支管路51连通至膨胀过程中的一点， 在该点制冷剂已至少部分膨胀至吸气和排气压力中间的压力。在分支管路 51中流动的制冷剂的压力和温度低于主制冷剂回路中的离开换热器26后 的制冷剂的压力和温度，分支管路中的制冷剂冷却经过经济器换热器48的 主回路中的制冷剂，优选按照逆流传热关系。分流制冷剂通过蒸气注入管 路53返回至压缩才几22和24，典型地该分流制冷剂处于过热状态中。已知的 是蒸气注入管路53给制冷剂提供至压缩机22和24的分支，并将制冷剂输送 到压缩机内的处于压缩过程的中间点处的压缩腔中。已知的是，每个单独 压缩机22和24可由串联连接的两个压缩机级代替。
这种实施方式包括无需独立经济器膨胀装置的经济器回路，因为膨 胀器28使用中间膨胀端口传送经济器分支的制冷剂。与配备被动膨胀装 置的常规制冷剂系统相比，按照这种方式的单个膨胀器可提供更高效率 水平的主膨胀装置功能和经济器膨胀装置功能。显然，替代地，对主制 冷剂流和经济化制冷剂流可以使用两个独立的膨胀级，并且在这种情况 下，经济器分支制冷剂和分支管路51可置于经济器换热器32的下游以及 上游。
串轴式压缩机22和24的使用使得通过选择性致动一个或两个压缩 机来更灵活地控制系统，以提供足够满足受调节空间中的热负荷需求的 必要容量。压缩机22和24可具有不同的尺寸，以允许更多级容量调节。 此外，对于双压缩机中的每一个压缩机，可单独或同时地启用或停用经 济器功能，以在必要时提供额外的容量级。如图l所示，阀62和64分别 允许压缩机22和24的经济器功能的选择性使用和停用。
制冷剂系统20可用CO2作为制冷剂。在这种情况下，制冷剂系统20 至少部分时间运行在跨临界循环中。已知的是，跨临界循环效率正常比 亚临界循环的低，所以本发明的上述增强特征和控制方案(串轴式压缩 机结合膨胀器和经济器循环)对于跨临界循环是最有利的。图2显示了另一种实施方式70,其类似于实施方式20，除了例示了 三个串轴式压缩机72、 74和76,其中只有一个压缩机72被经济化。同样 地，制冷剂系统70在操作控制和性能提升方面提供额外的益处。膨胀器 28、经济器回路和经济器换热器32的结合，与串轴式压缩机一起允许精 确调整制冷剂系统容量，以用最有效的方式获得气候受控环境中的期望 条件。制冷剂系统70的控制(未图示)可配置为操作单个压縮机72、 74 和76 (同样地这些压缩机具有不同尺寸)或它们的任意组合，以提供分 级的期望数目的卸载。
如上所述并如图2所示，经济化制冷剂只返回至一个压缩机72。本
领域技术人员将认识到通过将制冷剂返回一个或更多压缩机所提供的 各种特点和好处，如性能、控制灵活性、控制的复杂性和成本，并相应 地选择适当的设计。
本领域技术人员可认识到，多于两个的有顺序压缩膨胀级和多于一 个的经济器回路可被纳入制冷剂系统20和70中。级的数目主要由成本-性能的益处权衡限定。这些顺序级可由独立的装置提供或结合到单个装 置中。图3A显示了一个这样的制冷剂系统，其具有两个经济器回路和三 个压缩膨胀级。在图3A描绘的制冷剂系统170中，膨胀器128具有两个中 间压力端口，这两个中间压力端口与两个经济器回路连接。高压端口136 连通在较高压力和温度下运行的经济器换热器134,低压端口 138则连通 在较低压力和温度下运行的经济器换热器132。应该注意的是，上面提 及的较高和较低的中间压力都处于制冷剂系统170的吸气和排气操作压 力之间。此外，制冷剂系统170结合了三个压缩级，高压经济器回路的 蒸气注入管路157处在第二和第三压缩级之间，而低压经济器回路的蒸 气注入管路153处在第 一和第二压缩级别之间。制冷剂流量控制装置， 如阀166、 162和164分别选择性激活高压和低压经济器回路。阀164使两 个低压压缩机172和174的经济器功能失活，而阀162则使压缩机172的经 济器功能失活。同样地，只有(三个之中的)两个低压串轴式压缩机172、 174和176配备了经济器端口，具体是压缩机172和174。经济化的串轴式 压缩机172和174的第一和第二压缩级代表制冷剂系统170的第一和第二 压缩级，而非经济化的串轴式压缩才几176在与经济4t:压缩才几172和174的 两个顺序级相同的集管压力之间运行。两个高压的非经济化的串轴式压 缩机182和184代表了制冷剂系统170的第三压缩级别。此外，传送在膨胀器128中回收的部分膨胀过程能量，以至少部分对非经济化低压压缩 机176提供动力。显然，制冷剂系统170的任何其他压缩机可以同样的方 式连接至膨胀器128提供的动力。在所有其他方面，图3A的实施方式170 分别类似图1和图2的实施方式20和70。
图3 B的实施方式显示了图3 A描绘的制冷剂系统的替代串轴式压缩 机配置。在该实施方式中，第三压缩级的压缩机182直接连通下游的压 缩才几172和174,而同为第三压缩级的压缩右U84直接连通下游压缩枳i 176 。图3B中的两个制冷剂流量控制阀192和194取代了图3A中单个的制 冷剂流量控制阀166，以分别选择性启用和停用压缩机182和184的每一 个的经济器功能。最后，现在由压缩机184利用从制冷剂系统膨胀器回 收的能量，如图3B的29处所示。应该理解的是，本领域技术人员会认识 到串轴式压缩机和经济器回路配置，以及能量回收布置的许多其他变 形都是可行的，并同样可从本发明获益。
本申请中描述的串轴式压缩机可为分开的压缩;K单元，或者这些压 缩机的每一个的压缩元件都可结合在单个的压缩机外壳内(例如，压缩
元件置于旋转轴的相反端上或分开的压缩元件和与该分开压缩元件连 连的马达简单地封闭在单个外壳内)。
应当注意的是，本发明不限于图l所示的系统，因为实际制冷剂系 统可包括多个额外的部件，例如吸液式换热器，再热盘管，中冷器，附 加的经济器换热器或闪蒸罐。单独的串轴式压缩机可为变容型，包括可 变速和多速度配置。此外，压缩机可具有多个卸载选择，包括中间压力 到吸气压力的旁路布置。压缩机可内部卸栽，例如通过在间歇基础上分 离每一个压缩机的固定与旋转的涡盘。这些系统配置也并不限于具体的 压缩机类型，可以包括涡旋压缩机，螺杆压缩机(单转子或多转子配置)， 往复式压缩机(在该种压缩机中，例如一些汽缸用作低压缩级，而其他 汽缸用作高压缩级)和旋转压缩机。制冷剂系统还可包括多个单独的回 路。本发明也广泛适用于多种系统，例如包括移动式集装箱，载重拖车 和机动车系统，封装的商业屋顶单元，超市设施，住宅单元，环境控制
单元等。
尽管已公开了本发明的优选实施方式，本领域技术人员仍可认识到 在本发明范围内的某些改动。出于该原因，应由权利要求书确定本发明 的真正范围和内容。
权利要求
1.一种制冷剂系统，包括成串轴操作的至少两个压缩机，所述压缩机压缩制冷剂并将该制冷剂输送至下游的第一换热器，来自所述第一换热器的制冷剂流过经济器换热器的第一通道，然后流至膨胀器，制冷剂在所述膨胀器中膨胀，所述膨胀器从所述制冷剂的膨胀过程回收至少一部分能量，所述回收的能量用于协助驱动多个制冷剂系统部件中的至少一个；置于所述膨胀器下游的第二换热器，来自所述膨胀器的制冷剂流过所述第二换热器，然后回至所述至少两个压缩机；以及在所述膨胀器内的位置处分流的部分制冷剂，该部分制冷剂在该位置处已至少部分膨胀，该部分制冷剂流过所述经济器换热器的第二通道以冷却主制冷剂回路中的制冷剂，然后所述分流的部分制冷剂返回至所述至少两个压缩机中的至少一个。
2. 根据权利要求l所述的制冷剂系统，其特征在于所述分流的部 分制冷剂返回至至少两个压缩才几中的两个。
3. 根据权利要求l所述的制冷剂系统，其特征在于所述至少两个 压缩机具有至少一个共同集管。
4. 根据权利要求l所述的制冷剂系统，其特征在于所述至少两个 压缩机具有不同的尺寸。
5. 根据权利要求l所述的制冷剂系统，其特征在于所述至少两个 压缩机中的至少一个包括至少两个分开的级。
6. 根据权利要求l所述的制冷剂系统，其特征在于所述膨胀器具 有用于主制冷剂流和分流制冷剂流的分开膨胀级。
7. 根据权利要求l所述的制冷剂系统，其特征在于具有成串轴操 作的至少三个所述压缩机。
8. 根据权利要求l所述的制冷剂系统，其特征在于所述分流的部 分制冷剂返回至所述至少两个压缩机中的至少一个。
9. 根据权利要求l所述的制冷剂系统，其特征在于所述制冷剂是 C02。
10. 根据权利要求l所述的制冷剂系统，其特征在于所述制冷剂系 统在跨临界循环中运行至少 一 部分时间。
11. 根据权利要求l所述的制冷剂系统，其特征在于所述制冷剂系统在亚临界循环中运行至少 一部分时间。
12. 根据权利要求l所述的制冷剂系统，其特征在于所述至少两个 压缩机可分开控制或相互结合地控制。
13. 根据权利要求l所述的制冷剂系统，其特征在于经济器回路可 选择性启用。
14. 根据权利要求l所述的制冷剂系统，其特征在于使用了多于两 个的有顺序的压缩级和多于两个的经济器回路。
15. 根据权利要求l所述的制冷剂系统，其特征在于所述回收的能量用于至少部分:^也驱动所述至少两个压缩才几中的至少一个。
16. —种操作制冷剂系统的方法，包括如下步骤(1) 提供成串轴操作的至少两个压缩机，所述压缩机压缩制冷剂 并将该制冷剂输送至下游的第 一换热器，来自第 一换热器的制冷剂流过 经济器换热器的第一通道，然后流至膨胀器，制冷剂在所述膨胀器中膨 胀，所迷膨胀器从所述制冷剂的膨胀过程回收至少部分能量，所述回收 的能量用于协助驱动多个制冷剂系统部件中的至少一个；(2) 提供置于所述膨胀器下游的第二换热器，来自所述膨胀器的 制冷剂流过所述第二换热器，然后回至所述至少两个压缩机；以及(3) 从在所迷膨胀器中的位置处分流部分制冷剂，该部分制冷剂 在该位置处已至少部分膨胀，使该部分制冷剂流过所述经济器换热器的 第二通道以冷却主制冷剂回路中的制冷剂，然后所述分流的部分制冷剂 返回至所述至少两个压缩机中的至少一个。
17. 根据权利要求16所迷的方法，其特征在于所述分流的部分制 冷剂返回至至少两个压缩机中的两个。
18. 根据权利要求16所迷的方法，其特征在于所述至少两个压缩 机具有至少一个共同集管。
19. 根据权利要求16所迷的方法，其特征在于所述至少两个压缩 机具有不同的尺寸。
20. 根据权利要求16所述的方法，其特征在于所述至少两个压缩 机中的至少一个包括至少两个分开的级。
21. 根据权利要求16所迷的方法，其特征在于所述膨胀器具有用 于主制冷剂流和分流制冷剂流的分开的膨胀级。
22. 根据权利要求16所述的方法，其特征在于具有成串轴操作的至少三个所述压缩才几。
23. 根据权利要求16所述的方法，其特征在于所述分流的部分制 冷剂返回至所述至少两个压缩才几中的至少 一 个。
24. 根据权利要求16所述的方法，其特征在于所述制冷剂是C02。
25. 根据权利要求16所述的方法，其特征在于所述制冷剂系统在 跨临界循环中运行至少部分时间。
26. 根据权利要求16所述的方法，其特征在于所述制冷剂系统在 亚临界循环中运行至少部分时间。
27. 根据权利要求16所述的方法，其特征在于所述至少两个压缩 机可分开控制或相互结合地控制。
28. 根据权利要求16所述的方法，其特征在于经济器回路可选择 性启用。
29. 根据权利要求16所述的方法，其特征在于使用了多于两个的 有顺序的压缩级和多于两个的经济器回路。
30. 根据权利要求16所述的方法，其特征在于所述回收的能量用 于至少部分地驱动所述至少两个压缩岸几中的至少 一 个。
全文摘要
一种制冷剂系统使用了膨胀器，该膨胀器提供更有效的膨胀过程并从该膨胀过程回收至少部分能量。在该膨胀器中已被至少部分膨胀的至少部分制冷剂被分流并流过经济器换热器。在该经济器换热器中，分流的制冷剂冷却主回路制冷剂，增加了主回路制冷剂的热力学势能。此外，压缩部分提供有成串轴操作的至少两个压缩机，这允许多级卸载。通过选择性使用一个或更多串轴式压缩机、经济器循环和膨胀器，制冷剂系统可获得高效率操作，并提供增强的控制灵活性，尤其是对运行在跨临界循环中的CO₂制冷剂系统而言。
文档编号F25B1/00GK101568770SQ200680056834
公开日2009年10月28日 申请日期2006年12月26日 优先权日2006年12月26日
发明者A·利夫森, M·F·塔拉斯 申请人:开利公司