CN101142453A - 跨临界二氧化碳制冷系统的冷凝液热量传递 - Google Patents

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Abstract

一种瓶冷却器系统，包括使用从蒸发器冷凝的大气水从冷凝器吸取热量的装置。

Description

跨临界二氧化碳制冷系统的冷凝液热量传递
相关申请的交叉引用
本发明主张美国专利申请第60/663,912号的权益，名称为“跨临界二氧化碳制冷系统的冷凝液热量传递”并申请于2005年3月18号。共同未决申请档案号为05-258，名称为跨临界蒸气压缩系统的高侧压力调节，并申请于同一日期，公开了现有技术及发明的冷却器系统。本申请公开了这种系统的可能的变化。详细描述的该申请的公开通过参考而结合于此处。
发明背景
本发明涉及制冷。更具体地，本发明涉及饮料冷却器。
作为自然的及环境上良性的制冷剂，CO2(R-744)正引起重大的关注。在大多的空调操作范围内，CO2系统以跨临界模式操作。利用CO2作为工作流体的跨临界蒸汽压缩系统的示例包括压缩机、气体冷却器、膨胀装置、蒸发器及类似设备(见图1)。因为CO2的临界温度为87.8F，跨临界操作与传统操作之间的主要区别是气体冷却器内的排热在超临界的区域内。从而，压力不仅取决于温度，且其展现了系统操作的另外的控制和最优化问题。
图1示意性地示出了跨临界蒸汽压缩系统20，其利用CO2作为工作流体。系统包括压缩机22、气体冷却器24、膨胀设备26、及蒸发器28。示例的气体冷却器及蒸发器可以各自采取制冷剂-空气的热交换器的形式。通过这些热交换器中的一个或两个的空气流可以被驱使。例如，一个或多个风扇30及32可以驱使各自的空气流34及36通过两个热交换器。制冷剂流动路径40包括从蒸发器28的出口延伸至压缩机22的入口42的抽气管道。排气管道从压缩机的出口44延伸至气体冷却器的入口。另外的管道连接气体冷却器出口至膨胀设备入口，及连接膨胀设备出口至蒸发器入口。
电子膨胀阀通常用作设备26来控制高侧压力以优化CO2蒸汽压缩系统的COP。电子膨胀阀通常包括步进马达，步进马达附接于针形阀，用以改变有效阀开启或改变流量至大量的可能位置(通过超过100个)。其提供了超过大范围的操作条件的高侧压力的良好控制。阀的开启是由控制器50电子控制的，以匹配实际的高侧压力至所希望的设点。控制器50配接于传感器52以测量高侧压力。
当空气流36通过热交换器28上时，空气流36的冷却造成离开该空气流的水的冷凝。需要选址进行水的处置。一种方法包括使用排热热交换器加热水以引导其蒸发。这种系统60的示例示于图2中。
在所示的系统60中，与系统20类似的那些构件用类似的标号表示。为图示说明，隐藏了控制器和传感器构件。气体冷却器62分成第一部件64及第二部件66。沿制冷流动路径66，第一部件64在第二部件66的上游。部件64及66可以沿共同的空气流动路径接收共同的空气流68(如，由风扇70驱动)或可以在分离的空气流动路径上(如，由分离的风扇驱动)。如果在共同的空气流动路径上，第一部件可以在第二部件的上游/下游。
从空气流36冷凝的水由收集系统80收集。示例性的系统80包括盘80，水被传送至盘80。安置部分第一部件64使其沉浸在盘的积水中。由第一部件64的水的加热促进水的蒸发。
发明概述
然而，对于有益的性能，可以优选地暴露冷凝液于排热热交换器的更下游部件。瓶冷却器(bottle cooler)系统包括使用从蒸发器冷凝的大气水以吸取冷凝器热量的装置。
本发明的一个或更多实施例的细节在下面的附图及描述中提出。本发明的其它特征、目的、及优点由于描述和附图、及权利要求将会显而易见。
附图简述
图1为现有技术的制冷系统的示意图。
图2为另一现有技术的制冷系统的示意图。
图3为本发明制冷系统的示意图。
图4为陈列柜瓶冷却器的侧视图，陈列柜瓶冷却器包括制冷器及空气管理盒体。
图5为制冷器及空气管理盒体的图示。
图6为选择的盒体的局部侧面示意图。
图7为选择的盒体的局部侧面示意图。
图8为选择的盒体的局部侧面示意图。
类似的参考标号及标示在不同的附图中指示类似的元件。
详细描述
图3示出了系统100，系统100具有压缩机22、膨胀设备26、及热量吸收热交换器(蒸发器)28。这些可以与图1及图2的系统的相应构件相类似。为图示说明，隐藏了控制器及传感器构件。气体冷却器102分离成第一部件104及第二部件106。沿制冷剂流动路径66，第一部件104在第二部件106的上游。部件104和106可以沿共同的空气流动路径以接收共同的空气流108(如，由风扇110驱动)或可以在分开的空气流动路径上(如，由分开的风扇驱使)。在示例的系统中，第一部件104在第二部件106的上游，并插入风扇110。
从空气流36冷凝的水通过收集系统112收集。示例性的系统112包括盘122，水传送到盘122。安置第二部件106的一部分使其浸入盘122的积水中。通过第二部件64水的加热可以促进水的蒸发。相较于图2的系统，分配热量给冷凝液的气体冷却器的部件相对地在制冷剂流动路径的下游(如，在冷却器中温度在膨胀装置前下降一半或四分之一)。这将要通过暴露最冷的制冷剂给冷凝液而尽可能多地降低制冷剂温度。对于跨临界CO2制冷系统，要保持最高功效，将高侧(气体冷却器)热交换器的出口的温度减到最小是关键的。
这对于将CO2瓶冷却器制冷系统的出口温度减到最小是更加关键的。制造成本受到特别的关注。低成本/相对较低功效的热交换器(包括但不限于丝管式热交换器、盘管式热交换器、无翼片热交换器等)对于控制瓶冷却器的制造成本是特别有用的。
因此，冷凝液热交换的实施的特别区域在瓶冷却器内，包括那些可以安置于室外或必须具有室外承受力(表现周围环境的大变化)的瓶冷却器。图4示出了示例性的冷却器200，冷却器200具有可移动的盒体202，其容置有冷凝液及空气处理系统。示例性的盒体202装配于壳体的底座204的隔间内。壳体在左侧壁及右侧壁、后侧壁/输送管216、顶壁/输送管218、前门220、及底座隔间之间具有内部容积206。内部容置有垂直排列的架体222，以支撑饮料容器224。
示例性的盒体202将空气流108吸取穿过底座224内的前格栅，并从底座的后面排出空气流108。通过移动或开启格栅可以将盒体可引出地穿过底座前面。示例性的盒体驱动空气流36在再循环流动路径上穿过内部206及通过后输送管210及顶输送管218。
图5示出了示例性的盒体202的更多的细节。热交换器28安置于由隔热壁242限定的贮液器240内。示出的热交换器28大部分安置于盒体的顶后部的四分之一区域内，并大致向后地引导空气流36通过，在退出热交换器之后转向上，以从盒体上端的后面部分排出。排水通道250可以延伸穿过壁242的底部，以通过从空气流36冷凝到排水盘122的水。积水254示于盘122中。盘122沿着空气输送管256通过热交换器第一部件104下游的空气流108。安置热交换器第二部件106使其至少部分浸入积水254中。积水254对浸入的第二部件106及空气流108中的加热空气的暴露可以促进蒸发。
在示例中，第二部件106盘绕选路，第二部件分成通常在积水之上和空气流108中的第一部分及通常浸入的第二部分。制冷剂流动路径可以大体在沿空气流108的下游通过，经过第一部分，然后在到膨胀设备之前进入第二部分。
图5的装置与基线(baseline)盒体的基本再设计相符合，基线盒体具有一个放热热交换器，放热热交换器位于第一部件104处而没有位于第二部件处。其还与分离系统的再设计相符合，其中较热的部件在较后的位置。然而，示出配置的不利之处在于冷却器部件是在沿空气流动路径的较热部件的下游。从而，可能需要倒转空气流使其变成从后到前。这个从后到前的空气流的一部分可以被引导在冷却器门窗之上流过以避免窗蒙上水汽。
可选的实施可能会排除第一部件104的物理分离。一个示例可以为仅具有一个放热热交换器单元，如图5中由第二部件106所表示的那样安置。那个交换器单元的浸入部分可以作为第二部件106，而暴露的部分可以作为第一部件104(见下面的图6)。另一简单的变型可以包括安置热交换器以使从排水通道滴下的水在热交换器的引导部分之上流动(即，在温暖的空气流的上游端)。
通过冷凝水和制冷剂的逆流交换，各种实施可以进一步使热量传递最大化。这个逆流可以为冷凝液和制冷剂之间热交换的特有的方法，或可以补偿盘沉浸或另一机构。图6示出了这样一种系统，其中，排水通道250具有出口260。制冷剂管道的长度262向上延伸至出口。安置长度262以沿长度262向下引导/通过毛细作用传送来自出口260的水滴至排水盘。随着制冷剂向上流过长度324，制冷剂和水处于逆流热交换中。更加上游(沿制冷剂流动路径)长度264(或排热热交换器的部分)可以浸入盘中的水254中。再更加上游的部分270可以在空气流中。
补充情形的另一示例中，气体冷却器的相对小的下游部件可以穿过排水盘122运行或在排水盘122中运行。较小的并更下游的部分可以上升进入逆流热交换中的蒸发器排水通道内(均沿其长度和/或仅两步逆流结合盘中的部分)。在图7的示例中，排水通道250由另一旋绕的排水通道300代替。排水通道300具有向上指向的U部分302，部分302限定容纳水栓304的聚水器。排水通道300与水栓304可以阻止热空气流和冷空气流之间的空气泄漏，并可以代替简单的排水通道250而单独使用。水栓通过冷凝液流入排水通道300中而连续补充，并连续向下朝盘122排出冷凝液。制冷剂管道的部分306从第二部件106的剩余部分延伸并穿过排水通道300。膨胀设备(未示出)可以安置于管道部分306的下游端与蒸发器28之间。因此，流经管道部分306的制冷剂与流经排水通道300的冷凝液处于逆流热交换中。虽然示出了穿透的排水通道300，但管道部分306可以进入排水通道出口308和/或退出排水通道入口310，并更紧地跟随排水通道的路径。
图8示出了具有出口322的可选的排水通道320。制冷剂管道的长度324向上延伸至出口。安置长度324以沿长度324向下引导/通过毛细作用带走来自出口322的水滴至排水盘。由于制冷剂向上流过长度324，制冷剂和水处于逆流热交换中。排热热交换器的更上游部分(沿制冷剂流动路径)可以浸入盘的水中。
在另一实施中，可以正好在冷凝液经过排热热交换器(即，如果条件适当，气体冷却器可为冷凝器)的最后部分之上之前将其传送至空气流(如，108)，以增强热传送并由此降低制冷剂温度。这在空气流蒸发冷却特别相关的干燥气候下可以是特别有效的。
用空气传送冷凝液可以用几种方法进行。可以沿空气流安置吸液芯(wick)于热交换器上游的相关部件。可以类似地安置喷洒设备以引导冷凝液对空气流的喷洒。这种喷洒还可以或可选地直接接触相关的热交换器部分以通过蒸发的或传统的冷却方法进行冷却。类似地，吸液芯可以接触热交换器以传输水并提供传统的和/或蒸发的冷却方法。
从而，可以理解对于跨临界瓶冷却器应用，正在蒸发器表面上冷凝的水对于制冷剂冷却以保持功效是有用的。这个方法特别提供额外的功效，降低成本、防止污垢，热交换器如丝管式、盘管式、无翼片热交换器等。其可以使性能比得上正用于瓶冷却器应用的高效无翼片传统热交换器。通常呈现于低成本热交换器(丝管式、盘管式，等等)的保护覆盖层可提供可效的抵制来自冷凝液的侵蚀，对于冷凝液来说，热交换器是暴露的。
本发明的一个或更多的实施例已描述。然而，可以理解可以做出各种变化而不脱离本发明的精神和范围。例如，当实施已知系统的再制造或现有系统配置的再设计时，现有配置的细节可以影响实施的细节。示例性的基线系统可以为跨临界CO2系统或可以具有其它操作域和/或其它制冷剂。因此，其它实施例在所附权利要求的范围内。

Claims (11)

1.一种冷却器系统，包括：
压缩机(22)，用于在系统操作的至少第一模式下沿流动路径驱动制冷剂；
第一热交换器(102)，在所述第一模式下沿着所述压缩机下游的所述流动路径，以便作为冷凝器使用；
第二热交换器(28)，在所述第一模式下沿着所述压缩机上游的所述流动路径，以便作为蒸发器使用，以冷却所述系统内部容积的物品；及
装置，用于使用从所述第二热交换器冷凝的大气水来从所述第一热交换器的下游部分吸取热量。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述装置包括：
所述第一热交换器(102)的所述下游部分(106)在所述第二热交换器(28)的排水盘(122)中的沉浸。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述装置包括下列中的至少一个：
吸液芯，其传送冷凝水至所述下游部分；
吸液芯，其传送冷凝水至所述下游部分之上流动的空气流；
所述第一热交换器下游部分的至少第一子部分，其向上延伸以接收冷凝水流并引导所述冷凝水流至排水盘；及
所述第一热交换器下游部分的至少第一子部分，其向上延伸以接收冷凝水流并引导所述冷凝水流至排水盘，且第二子部分在所述盘内。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述装置包括：
喷洒器，用于将所述冷凝水喷洒在所述第一热交换器上。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述装置包括：
制冷剂和冷凝水流之间的逆流热交换。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统为安置于室外的独立的外部供电的饮料冷却器。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述制冷剂主要大部分包括CO2；及
所述第一热交换器和第二热交换器为制冷剂-空气热交换器。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述制冷剂主要包括CO2；及
所述第一热交换器和第二热交换器为制冷剂-空气热交换器，各个制冷剂-空气热交换器具有相关联的风扇，通过所述第一热交换器的空气流为从外部至外部的流动，且通过所述第二热交换器的空气流为再循环的内部流动。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，与所述物品结合，所述物品包括：0.3-4.0公升大小范围的多个饮料容器。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述系统从下列组中选择，所述组包括：
现金操作自动贩卖机；
透明前门、后面关闭的陈列柜；及
顶部进入的冷却器箱。
11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统为跨临界系绞。
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