CN101142451A - 具有压力增加释放阀的跨临界制冷 - Google Patents

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Abstract

一种制冷系统(20)，其包括平行于膨胀装置(63)的压力增加释放阀(62)。

Description

具有压力增加释放阀的跨临界制冷
相关申请的交叉引用
本申请要求美国60/663,959专利申请的权益，该专利申请名称为具有压力增加释放阀的跨临界制冷，并且在2005年3月18日提出申请。共同未决的国际申请案05-258-WO公开了现有技术和发明性的冷却器系统，该国际申请案名称为用于跨临界蒸气压缩系统的高压侧压力调节，并且同这个美国专利申请在同一天提出申请。本申请公开了关于这种系统的可能的变型。所述两个申请的公开内容通过引用结合到本申请中，就如同详细地阐明了一样。
发明背景
本发明涉及制冷。更具体地，本发明涉及诸如饮料的二氧化碳(CO2)冷却器的跨临界制冷系统。
当同亚临界蒸气压缩系统相比时，跨临界蒸气压缩系统具有控制自由度的较佳的程度。在亚临界系统中，通过热交换器流体温度控制系统高压部件和低压部件内的压力。如果系统是空气-空气系统，则蒸发器压力是进入蒸发器的空气温度的强的函数，而冷凝器压力是进入冷凝器的空气温度的强的函数。这是因为这些温度与热交换器内的饱和压力密切相关。在跨临界系统中，系统的高压侧没有任何的饱和性质，因此压力是不受温度约束的。众所周知的是，高压侧压力的选择对于系统的性能有强烈的影响，并且存在着提供最大能源效率的最佳压力。当单元的工作条件改变时，这个最佳压力将改变。可以多种不同方法完成高压侧压力的控制，但是，对于具有固定的速度和容积的压缩机的系统而言，最强烈的影响是通过膨胀装置决定的。
图1示意性地显示了利用CO2作为工作流体的跨临界蒸气压缩系统20。该系统包括压缩机22、气体冷却器24、膨胀装置26和蒸发器28。示例性的气体冷却器可以各自采用制冷剂-空气热交换器的形式。可以促使空气流通过这些热交换器中的一个或两个。例如，一个或多个风扇30和32可以各自驱动空气流34和36通过两个热交换器。制冷剂流动通道40包括从蒸发器28的出口延伸到压缩机22的入口42的吸入管线。排出管线从压缩机的出口44延伸至气体冷却器的入口。附加管线连接气体冷却器的出口到膨胀装置的入口，和连接膨胀装置的出口到蒸发器的入口。
因为CO2的临界温度是87.8，所以跨临界和传统操作之间的主要不同之处是气体冷却器内的热消耗是在超临界区域内。因此，压力不单独地依赖于温度，并且这也展示了附加的控制和系统操作的最佳化问题。
对于确定的气体冷却器排出温度而言，当高压侧压力增加时，制冷剂的出口焓减少，产生通过气体冷却器的更高的微分焓。气体冷却器的容量是制冷剂的质量流速和通过气体冷却器的焓的差异的函数。对于饮料冷却器而言，蒸发器可本质上处于冷却器的内部温度。不管外部的条件，特别希望在很窄的范围内去维持这个温度。例如，也许要求去维持内部温度非常接近37。这个温度本质上确定了稳定状态的压缩机吸入压力。
对于确定的压缩机吸入压力，当高压侧压力增加时，由压缩机使用的能量的数量增加，并且压缩机的容积效率减少。当压缩机的容积效率减少时，通过系统的流速减少。当高压侧压力增加时，在气体冷却器容积内，这两个中和作用的平衡典型地加强。然而，超过一定压力，容积增加的数量变得非常小。因为膨胀装置通常是等焓的，所以当高压侧压力增加时，蒸发器容积也典型地增加。
蒸气压缩系统的能量效率，性能系数(COP)，通常表示成系统容量对消耗能量的比率。因为压力的增加典型地既产生了更高的容量又产生了更高的能量消耗，在这两者之间的平衡将支配总的COP。因此，典型地存在着产生最高可能性能的最佳压力。
电子膨胀阀通常用作装置26，以便控制高压侧压力而使CO2蒸气压缩系统的COP最优化。电子膨胀阀典型地包括附着于针形阀的步进电机，以便改变有效阀的开口或流量到很多的可能位置(典型地超过100)。这提供了对较大范围内工作条件的高压侧压力的有效控制。通过控制器50电子控制阀的开口，以使实际的高压侧压力与要求的定点相匹配。控制器50与用于检测高压侧压力的传感器52配接。
在附图和下面的说明中阐明了一个或多个本发明实施例的详细资料。通过说明、图示和权利要求，本发明的其它的特征、目的和优点将变得明显。
附图简述
图1是现有技术的瓶装饮料的CO2冷却器的示意图。
图2是改进的瓶装饮料的CO2冷却器的示意图。
图3是封闭条件下图2中的压力增加释放阀截面图。
图4是开放条件下图2中的压力增加释放阀截面图。
图5是关于三种不同的膨胀方法的排出压力相对于周围环境温度的曲线度。
图6是关于所述三种不同的膨胀方法的性能系数相对于周围环境温度的曲线度。
图7是关于所述三种不同的膨胀方法的容量相对于周围环境温度的曲线度。
图8是在下拉期间所述三种不同的膨胀方法和发明性的方法的排出压力相对于蒸发温度的曲线度。
图9是在下拉期间所述三种不同的膨胀方法和所述发明性的方法的性能系数相对于蒸发温度的曲线度。
图10是在下拉期间所述三种不同的膨胀方法和所述发明性的方法的容量相对于蒸发温度的曲线度。
图11是包括制冷和空气管理盒的陈列柜中的瓶装饮料的冷却器侧视图。
图12是制冷和空气管理盒视图。
在不同的图中显示的同样的参考数字和符号表示同样的元件。
详细说明
压力增加释放阀(PARV)可以协同主要的膨胀装置使用。图2展示了形成为现有技术系统20的变型的系统60。在本实施例中，在来自气体冷却器的制冷剂流动通道的高压力(上游的)部分64和到蒸发器的低压(下游的)部分66之间，PARV 62和膨胀装置63平行地配接在一起。PARV 62的相对侧的压力的组合发生作用使PARV打开，以便允许由其流过。PARV和膨胀装置也可组合成组合阀68。
示例性的阀68(图3)具有主体70，该主体70具有接收管道部分64的入口端口72和接收管道部分66的出口端口74。入口端口72和出口端口74分别与高压腔体76和低压腔体78连通，高压腔体76和低压腔体78都在主体内。示例性的主体70包括主要部分80和固定在其上的盖82。示例性的盖将隔板84的外围密封和固定在主要部分80上。示例的性的隔板是圆盘状的弹簧钢板。
隔板具有通常地接合/密封在主体主要部分80的承座表面88上的正面/表面86。在表面88内，腔体76和78各自具有端口90和92。端口90和92通常通过与隔板正面86的接合而封闭。如果特别的隔板本身没有足够的弹起(举例来说，胶片，而不是金属弹簧片)，则可能需要由偏置弹簧94辅助接合。示例性的偏置弹簧94是具有接合在后侧/后面98的第一末端96和接合在盖82的下侧102的第二末端100的压缩卷簧。隔板后侧腔体(后部空间)104成形成容纳弹簧。盖内的端口106可以使后侧腔体104暴露给参考压力。参考压力可以是周围的空气压力，可以是真空或其它封闭的确定的压力(在这种例子中，端口106可以省略)，或独立于系统条件的压力(例如，通过管道108连接到位于系统内其它地方的TXV型球形物110去提供可变的压力)。这个后侧压力用于维持隔板在它的封闭的状态下。
高压腔体和低压腔体76和78内的压力用力作用在隔板上，该力以它们的端口90和92的相对的面积作为基础，并考虑到诸如端口定位的机械利益因素。这些压力相反地作用到后侧腔体104的压力上。如果相关的平衡
如果结合的高压力和低压力的作用超过在隔板后侧上的后侧压力和弹簧力的作用，那么隔板将向外弯曲到打开的状态(图4)，允许气流112离开端口90和回到端口92(并且因此通过阀68)。如果结合的高压力和低压力的作用没有超过在隔板后侧上的那些力，那么隔板将保持关闭，允许少到没有的流动。以这种方法，隔板和相关的部件起到调节附加压力到受控水平的PARV的作用。
PARV协同主要膨胀装置使用，以便提供控制高压的更好的机构。主要膨胀装置可以是如下面进一步论述的简单的孔，或者可以是其它类型的膨胀装置，诸如毛细管、TXV、EXV或其它的阀门。例如，在一个实施例里，TXV型阀可以和感测气体冷却器或冷凝器出口的温度的球形物一起使用。在另一个实施例里，可以使用双球形物TXV去感测空气温度和气体冷却器或冷凝器排出的差异。
在图3和图4的例子中，通过气流122的孔120提供组合阀的确定的膨胀装置部分的主要功能。为了论述的目的，用语PARV可用来表示纯粹的PARV和组合阀。
示例性的系统设计可以反映出具体设计的外部(周围的)和内部温度。示例性的设计的周围温度是90(32℃)。示例性的设计的下拉温度是16(-9℃)。
理论上的最佳控制是能产生出最高可能的COP的最佳控制。
图5展示了用于最佳控制策略的排出压力对周围温度的曲线400。曲线402代表了尺寸定制成用以提供与设计的周围压力相同的压力的固定的孔。对于较低的周围温度，固定的孔将产生高于最适宜值的排出压力。对于较高的周围温度，固定的孔将产生低于最适宜值的排出压力。曲线404代表了涉及背离最适宜值更大的确定的压力情形。
图6展示了用于最佳控制策略的性能系数对周围温度的曲线410。曲线412代表了固定的孔，而曲线414代表了不变的压力情形。图7展示了用于最佳控制策略的容量对周围温度的曲线420。曲线422代表了固定的孔，而曲线424代表了不变的压力情形。从图5至图7中可以看出，固定的孔提供相对于最佳控制的压力方面的很小的差异。这导致效率方面(COP)相对地适度的减少和能量方面的更小的减少。固定的孔装置的低成本在价值上超过了这些适度的性能的减少。然而，还存在其它需要考虑的事项。
图8展示了用于最佳控制策略的在下拉期间的排出压力对蒸发温度的曲线430。曲线432代表了固定的孔，而曲线434代表了不变的压力情形。从曲线432可以看出，下拉情况导致固定的孔产生了比最佳控制高得多的排出压力。在较高的蒸发器温度下，产生的高压可能损坏系统。于是，只用一个简单固定的孔的问题是，当低压比较高时，诸如在下拉期间(举例来说，当具有在腔体内的待冷却的高的温度和高的周围温度的系统开启时)，高的(排出)压力将超过系统硬件的实际的设计压力。PARV可以发挥作用去避免这种高的排出压力。曲线436代表了孔和PARV的组合，并表明了以等于/超过示例性温度7.5℃背离曲线432，以便以基于硬件强度选择的示例性的12000kPa的压力而覆盖排出压力。PARV不允许压力在下降期间超过某一值，从而避免对系统的损害，并且允许使用简单的压力控制装置，诸如固定的孔装置。PARV策略对调节高压的影响是一机构，该机构产生非常接近最佳压力控制的作用，但在过剩的制冷剂流动期间不会过分的增压。
图9展示了用于最佳控制策略的在下拉期间的性能系数对蒸发温度周围温度的曲线440。曲线442代表了固定的孔，曲线444代表了不变的压力情形，而曲线446代表了孔和PARV的组合。图10展示了用于最佳控制策略的容量对周围温度的曲线450。曲线452代表了固定的孔，曲线454代表了不变的压力情形，而曲线456代表了孔和PARV的组合。曲线446和曲线456表明，当通过使用涉及调节到最佳压力的受控膨胀装置的PARV而实际上获得容量时，没有显著地影响效率(COP)。这个效果是，减少了下拉的时间，因此也减少了装置的总的能量消费。
用于实施PARV的特别的区域是在瓶装饮料的冷却器内，包括那些可以设置在户外的或必须具有能力存在于户外(在周围温度上表现出大的变化)的。图11展示了具有可移动盒子202的示例性的冷却器200，该可移动盒子202包括制冷剂和空气处理系统。示例性的盒子202安装在壳体的基座204的隔室内。壳体具有在左墙壁和右墙壁之间的内部腔体206、后壁/槽道210、顶壁/槽道218、前门220及基座的隔室。内部包括支撑饮料容器224的垂直排列的架子222。
示例性的盒子202从基座224前面的栅栏吸入空气流34并且从基座的后部排出空气流34。通过移去或打开栅栏可以由基座前面抽出盒子。示例性的盒子通过后部槽道210和顶部槽道218驱动在循环流动通道上的空气流36穿过内部206。
图12进一步展示了示例性的盒子202的细节。热交换器28位于由隔热墙242限定的井240内。热交换器28显示成主要位于盒子的上后部的象限内，并且适应于一般向后传递空气流36，为了从后部部分排出到盒子的上部，在离开热交换器后具有向上翻转。排水管250可延伸通过墙242的底部，以便传递从气流36中冷凝的水到排水盘252。盘252展示有积累的水254。盘252沿着空气槽道256，空气槽道256传递在热交换器24下游的气流34。积累的水254在气流34内加热的空气中的暴露可促进蒸发。
已经介绍了本发明的一个或更多的实施例。然而，应该理解的是，可以作出没有脱离本发明精神和范围的各种变型。例如，当作为现有系统的再制造或现有系统构造的重建而实施时，现有构造的细节可能影响实施的细节。因此，其它的实施例也应在下列的权利要求的范围内。

Claims (19)

1.一种冷却器系统，包括：
用于在系统操作的至少第一种模式下沿着流动通道驱动制冷剂的压缩机(22)；
在所述第一种模式下沿着所述压缩机下游的所述流动通道以便作为气体冷却器的第一热交换器(24)；
在所述第一种模式下沿着所述压缩机上游的所述流动通道以便作为蒸发器而冷却所述系统内部腔体里的内容物的第二热交换器(28)；
在所述第一热交换器(24)的下游和所述第二热交换器(28)的上游的所述流动通道内的膨胀装置(63)；以及
与所述膨胀装置并联的压力增加释放阀(62)。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述压力增加释放阀(62)是纯粹的机械阀。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述膨胀装置(63)是纯粹的机械装置。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述压力增加释放阀(62)是常闭的，并且构造成用以响应于基本上分别由所述第一热交换器的直接下游和所述第二热交换器的上游的压力产生的组合力而打开。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于：
偏置力与所述组合力反方向地起作用，所述偏置力包括下面中的至少一个：
辅助弹簧(94)的偏置力；
由系统状态传感器(110)提供的偏置力；和
由周围空气压力施加的偏置力。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述压力增加释放阀(62)与所述膨胀装置(63)是整体式的。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述膨胀装置(63)包括在所述压力增加释放阀的共同主体(70)内的固定孔(120)。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述膨胀装置(63)包括非EEV装置。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述压力增加释放阀包括金属片状弹性隔板(84)而没有其它弹簧。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述压力增加释放阀包括隔板(84)和偏置卷簧(94)。
11.如权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述膨胀装置的上游(76)和下游(78)的流动通道部分具有所述压力增加释放阀的有效反偏置区域，较小者不小于较大者的10％。
12.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统是设置在户外的自含式外部电力驱动的饮料冷却器。
13.如权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述制冷剂在主要质量部分上包括二氧化碳；并且
所述第一热交换器和所述第二热交换器是制冷剂-空气热交换器。
14.如权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述制冷剂基本上由二氧化碳组成；并且
所述第一热交换器(24)和所述第二热交换器(28)是各自具有相关联的风扇(30；32)的制冷剂-空气热交换器，穿过所述第一热交换器的空气流是外部到外部的流动，而穿过所述第二热交换器的空气流是再循环的内部流动。
15.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统与所述内容物相结合，所述内容物包括：
在0.3至4.0升尺寸范围内的多个饮料容器。
16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述系统选自：
现金操作的自动售货机；
透明的前门、封闭的后部的陈列柜；以及
顶部存取的冷却器柜。
17.一种跨临界二氧化碳制冷系统，包括：
用于在系统操作的至少第一种模式下沿着流动通道驱动制冷剂的压缩机(22)；
在所述第一种模式下沿着所述压缩机下游的所述流动通道以便作为气体冷却器的第一热交换器(24)；
在所述第一种模式下沿着所述压缩机上游的所述流动通道以便作为蒸发器的第二热交换器(28)；
在所述第一热交换器(24)的下游和所述第二热交换器(28)的上游的所述流动通道内的膨胀装置(63)；以及
与所述膨胀装置并联的压力增加释放阀(62)。
18.一种用于操作跨临界二氧化碳制冷系统的方法，包括：
在系统操作的至少第一种模式下沿着流动通道压缩和驱动制冷剂；
沿着所述压缩的下游的所述流动通道冷却所述压缩的制冷剂；
膨胀所述冷却的制冷剂；以及
加热所述膨胀的制冷剂；
其中：
所述膨胀包括基于分别来自限制的上游和下游的力的附加性组合而机械地自动改变有效的流动限制。
19.一种用于再制造跨临界二氧化碳制冷系统或重建其构造的方法，其中，基准构造包括：
用于在系统操作的至少第一种模式下沿着流动通道驱动制冷剂的压缩机(22)；
在所述第一种模式下沿着所述压缩机下游的所述流动通道以便作为气体冷却器的第一热交换器(24)；
在所述第一种模式下沿着所述压缩机上游的所述流动通道以便作为蒸发器的第二热交换器(28)；以及
在所述第一热交换器(24)的下游和所述第二热交换器(28)的上游的所述流动通道内的膨胀装置(26)；
所述方法包括下面中的至少一个：
增加与所述膨胀装置(26)并联的压力增加释放阀(62)；和
用压力增加释放阀(26)和结构上不同的膨胀装置(63)替换所述膨胀装置(26)。
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