CN101688706B - 用于节能型制冷剂循环性能提升的热电冷却器 - Google Patents

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Abstract

一种制冷剂系统结合了节能器回路以及热电冷却器以提供对传统节能型制冷剂系统的性能提升。热电冷却器或直接在主制冷剂回路中冷却制冷剂，或在节能型回路中冷却制冷剂，或二者兼有。

Description

用于节能型制冷剂循环性能提升的热电冷却器
技术领域
本应用涉及具有节能器回路的制冷剂系统，其中，热电冷却器提供额外的冷却及性能提升以辅助传统的节能器回路。
背景技术
制冷剂压缩机使制冷剂循环经过制冷剂系统以调节二次流体。典型地，在基本的制冷剂循环中，压缩机压缩制冷剂并将其输送至散热热交换器。来自散热热交换器的制冷剂经过膨胀装置，在那里其压力和温度降低。在膨胀装置的下游，制冷剂经过吸热热交换器，并随后返回压缩机。已知吸热热交换器典型地是蒸发器。在亚临界应用中散热热交换器是冷凝器，在跨临界应用中散热热交换器是气体冷却器。
制冷剂系统设计中提高性能的一个选择是采用节能器，或所谓的蒸汽注入作用。当节能器功能被激活时，制冷剂的一部分从散热热交换器下游的主制冷剂流中被分流。在一种配置中，该分流的制冷剂经过辅助膨胀装置，被膨胀为中间压力和中间温度，并且随后该部分膨胀的分流的制冷剂在节能器热交换器中与主制冷剂流成热交换关系通过。如此，主制冷剂被冷却使得当其到达吸热热交换器时将具有更大的热力势。分流的制冷剂，通常在过热的热力状态中，返回节能器热交换器下游的压缩机中的中间压缩点。已知存在包括节能器热交换器以及提供相似功能性的闪蒸罐的其他布置。
最近提出的结合到制冷剂系统中的另一种选择是采用热电冷却器。热电冷却器本质上利用不同的半导体材料的特定热电特性并且基于两个现象-在热电装置的工作期间同时发生的珀尔帖效应和塞贝克效应。珀尔帖效应是有关两种电导体的接点处有限的热通量的释放或吸收，该两种电导体由不同的材料制成并且在存在电流时保持在恒定温度下。同样地，塞贝克效应涉及相同的布置，其中两个接点保持在不同的温度，这会产生有限的电位差以及将在闭环电路中驱动电流的电动势。
珀尔帖和塞贝克效应在优选由具有不同的绝对热电势的材料制成的热电冷却器中同时出现。经过两个接点的有限电流引起与保持在不同温度下的冷和热两个储蓄器的两种热传递相互作用。为了热电冷却器的稳定工作，与两个接点有关的热通量应具有相反的符号。如果外部系统维持电位差并且驱动电流对抗该电位差，则二-接点系统变为热电冷却装置。
典型的热电冷却器由作为两种不同导体的P-型和N-型半导体元件的排列组成。P-型材料的电子数量不充足，而N-型材料具有多余的电子。这些N-型材料中的电子以及P-型材料中的所谓″空穴″，除了输送电流之外，还成为运输介质以将热量从冷接点移动到热接点。热传输率取决于经过电路的电流以及移动的电子-空穴对的数量。当电流通过一对或更多对的P-N元件时，冷接点处温度的降低导致从要被冷却的物体吸收热量。当电子从高能量状态移动到低能量状态时，上述热量通过电子传输被输送经过热电冷却器，并且在热接点处被释放。
尽管热电装置本质上是不可逆的，因为在它们工作期间热量和电流必须流过电路，但是它们没有移动部件，这使得它们非常可靠。另外，传统的蒸汽压缩系统的制冷剂由从冷接点输送能量到热接点的电子代替，电子由具有不同的绝对热电势并且电串联连接且热并联连接的两个导体产生。
至今，仅仅提出在传统制冷剂循环中的散热热交换器的下游设置使用热电冷却器。从未提出该热电冷却器用于给节能器循环提供额外的性能提升。考虑到空调应用范围中节能器循环的有限制容量以及不断提升的效率标准，节能型制冷剂系统的性能增强变得尤为紧迫。此外，除了节能器功能之外，诸如跨临界状态中工作的二氧化碳的替代制冷剂需要另外的装置以获得与充有传统制冷剂的制冷剂系统的性能水平相当的性能水平。
发明内容
在所揭示的本发明的实施方式中，制冷剂系统具有节能器回路。通过给节能型制冷剂流或者直接给主制冷剂流或者给两者提供额外的冷却，热电冷却器可操作以为节能型制冷剂系统提供额外的性能提升。在任一情况下，热电冷却器可以相对于相应的制冷剂流设置在节能器的上游或下游。在所揭示的全部制冷剂系统配置中，热电冷却器允许对主制冷剂流的额外冷却以及其在主膨胀装置上游的温度降低。因此，进入蒸发器的制冷剂流的热力冷却势能以及制冷剂系统的整体性能得以提升。
本发明的这些和其他特征可从下述的说明书及附图中得到最好的理解，以下是对附图的简要说明。
附图说明
图1A显示第一示意图。
图1B显示第二示意图。
图2A显示第三实施方式。
图2B显示第四示意图。
图3A显示第五示意图。
图3B显示第六示意图。
图4A是图1A，1B，2A和2B的P-h图。
图4B是图3A和3B的P-h图。
具体实施方式
图1A示出节能型制冷剂系统20。已知压缩机22压缩制冷剂并且将其向下游输送到散热热交换器24。也已知散热热交换器24对于跨临界循环是气体冷却器，而对于亚临界循环是冷凝器。从散热热交换器24，制冷剂经过节能器热交换器26。在该实施方式中，主制冷剂流经过节能器热交换器26，并且分流制冷剂线路30分流来自节能器热交换器下游的主制冷剂线路28的制冷剂的一部分。分流线路30经过节能器膨胀装置32，随后再一次经过节能器热交换器26。在膨胀装置32中，分流的制冷剂被膨胀到中间压力和中间温度，并因而能够在节能器热交换器26中的热传递相互作用期间冷却主制冷剂线路28中的制冷剂。来自分流制冷剂线路30的制冷剂经过注入制冷剂线路34返回压缩机22的中间压缩点。
节能器热交换器26下游的主制冷剂线路28中的制冷剂经过主膨胀装置40，并随后经过吸热热交换器(蒸发器)42。从吸热热交换器42，制冷剂返回压缩机22。
上述节能型制冷剂系统通常是本领域公知的。本发明通过在节能器热交换器26的下游包括热电冷却器38而增强该公知的节能型制冷剂系统的性能。热电冷却器38通过在热电冷却器38的冷接点和主制冷剂线路28中的制冷剂之间提供热接触，而进一步提供对主制冷剂线路28中制冷剂的冷却。并且，热电冷却器38还冷却分流到分流制冷剂线路30内的制冷剂，并因而为分流的制冷剂提供更大的热力冷却势能，以及在节能器热交换器26中为主制冷剂线路28中的主制冷剂和分流制冷剂线路30中的分流的制冷剂之间提供更高的传热率。热电冷却器38可以是本领域已知的任何类型或配置。例如，热电冷却器38的热接点可被空气流冷却。在实施方式中，这些构件可以设置成使得单个空气移动装置移动空气经过气体冷却器24和热电冷却器38二者以便从这两个构件散去热。可选择的，可采用分开的空气移动装置。显然，来自热电冷却器38的热接点的其他散热装置也是可行的。热电冷却器38的冷接点至主制冷剂线路的附接，例如可通过机械接触、铜焊(brazing)、锡焊(soldering)、焊接(welding)、胶粘或任何其他方法，以提供充分的热接触。
与图1A的实施方式20类似，用于节能器回路的分流制冷剂线路30可设置在热电冷却器38的上游。在该配置中也可获得相似的益处。
图1B表示实施方式50，除了热电冷却器52的位置之外，其与图1A中所描绘的实施方式20相似。在此，热电冷却器52被设置在节能器膨胀装置32和节能器热交换器26的中间。在此情况下，热电冷却器可制造得更为紧凑，因为其仅需冷却分流进入分流制冷剂线路30的一部分制冷剂。该实施方式在主制冷剂线路28中的制冷剂和分流制冷剂线路30中的制冷剂之间提供了更高的温度差，导致了节能器热交换器26中更高的传热率。显然，热电冷却器还可设置在分流点33和节能器膨胀装置32之间。
图2A显示了另一实施方式60。在该实施方式60中，一部分制冷剂被分流进入节能器热交换器26上游的制冷剂线路30中，并且在到达节能器膨胀装置32之前经过热电冷却器62。同样，分流制冷剂线路30中的制冷剂将会更冷，并且因此将能够在节能器热交换器26中更大程度地冷却主制冷剂线路28中的制冷剂。
图2B显示了实施方式70，除了将热电冷却器72定位在节能器膨胀装置32的下游之外，实施方式70与图2A的实施方式60相似。
图3A显示了又一实施方式80，其中，先前实施方式的节能器热交换器26由闪蒸罐44代替。具有闪蒸罐的节能系统是本领域已知的。闪蒸罐将液相和汽相的制冷剂分开，液相流经主回路并且汽相被输送至压缩机22中的中间压缩点。热电冷却器46放置在节能器膨胀装置32和闪蒸罐44之间以在流入闪蒸罐44的制冷剂混合物中提供额外的液体含量，并且为制冷剂系统80提供额外的性能提升。
图3B显示了另一实施方式90，其与图3A的实施方式80相似，例外的是热电冷却器48是设置在闪蒸罐44和主膨胀装置40之间。在此情况下，热电冷却器48不是提高流入闪蒸罐44的两相混合物中的液体含量，而是进一步冷却离开闪蒸罐44的液体，从而增强制冷剂系统90的性能。
在该应用中在如图所示的位置提供热电冷却器的益处可以从图4A和4B的P-h图中看到。大体上，图4A所描绘的P-h图显示由用于制冷剂系统的热电冷却器所提供的额外容量，该制冷剂系统包括具有节能器热交换器的节能器回路，如图1A，1B，2A和2B所示。同样地，图4B显示由用于包括闪蒸罐的制冷剂系统(如图3B所示)的热电冷却器所提供的益处。
本发明所揭示的具有热电冷却器的节能型制冷剂系统可用于如图4A所示的传统的亚临界应用，以及可用于如图4B所示的跨临界应用。由于跨临界应用，例如那些采用二氧化碳作为制冷剂的跨临界应用，本质上是低效率的，在那些应用中热电冷却器会是最有利的。同样地，由于空调应用的节能器循环所提供的增受限于降低的压力比，因此热电冷却器的结合会为空调应用提供额外的益处，尤其是考虑到不断提高的效率标准以及并且标准性能增强方法的回报减少。
此外，热电冷却器可在卸载节能型制冷剂系统中提供额外的灵活性。开启热电装置将会提供额外的容量以补偿空调空间中的热负载需求。另一方面，当仅仅需要部分负载容量来满足空间需求时，关闭热电装置将允许制冷剂系统的卸载。
应指出的是，许多不同的压缩机类型可用于本发明。例如，涡旋式，螺杆式，旋转式，或往复式压缩机均可被采用。利用本发明的制冷剂系统可具有各种选择和增强特征，例如，串轴(tandem)构件，再加热回路，中间冷却器热交换器等等，并且可用于许多不同的应用，包括但不限于，空调系统，热泵系统，海运集装箱单元，制冷卡车-拖车单元以及超市制冷系统。
已经揭示了本发明的实施方式，本领域普通技术人员会认识到，某定修改属于本发明的范围。由于该原因，应研究所附权利要求以确定本发明的真实范围和内容。

Claims (46)

1.一种制冷剂系统，包括：
用于压缩制冷剂并且将制冷剂向下游输送到散热热交换器的压缩机，来自散热热交换器的制冷剂经过主膨胀装置，并随后在返回所述压缩机之前流到吸热热交换器；
位于该制冷剂系统中的节能器，使得主制冷剂流线路从所述散热热交换器传递到所述节能器，然后到主膨胀装置，并使得分流制冷剂线路从所述主制冷剂流线路分流制冷剂以及使分流制冷剂线路传递通过节能器膨胀装置，然后通过所述节能器，所述分流制冷剂流线路中的制冷剂返回到压缩机中的中间压缩点；以及
提供用于增强节能型制冷剂系统的性能的热电冷却器。
2.如权利要求1所述的制冷剂系统，其中，热电冷却器与节能器回路相关联。
3.如权利要求1所述的制冷剂系统，其中，所述制冷剂系统至少在一部分时间内以亚临界循环工作。
4.如权利要求1所述的制冷剂系统，其中，所述制冷剂系统至少在一部分时间内以跨临界循环工作。
5.如权利要求1所述的制冷剂系统，其中，所述制冷剂系统利用二氧化碳作为制冷剂。
6.如权利要求1所述的制冷剂系统，其中，热电冷却器包括具有不同的绝对热电势的两种半导体材料。
7.如权利要求1所述的制冷剂系统，其中，热电冷却器包含至少一对P-型和N-型半导体材料。
8.如权利要求1所述的制冷剂系统，其中，热电冷却器与主制冷剂回路相关联。
9.如权利要求1所述的制冷剂系统，其中，所述节能器是热交换器类型的节能器。
10.如权利要求9所述的制冷剂系统，其中，热电冷却器与主制冷剂回路相关联并且设置在节能器热交换器的下游。
11.如权利要求10所述的制冷剂系统，其中，用于将一部分制冷剂分流到节能器回路的分流制冷剂线路设置在热电冷却器的下游，并随后经过节能器热交换器。
12.如权利要求10所述的制冷剂系统，其中，用于将一部分制冷剂分流到节能器回路的分流制冷剂线路设置在热电冷却器的上游，并随后经过节能器热交换器。
13.如权利要求9所述的制冷剂系统，其中，用于将一部分制冷剂分流到节能器回路的分流制冷剂线路设置在节能器热交换器的下游，并随后经过与节能器回路相关联的并且设置于节能器膨胀装置和节能器热交换器之间的热电冷却器。
14.如权利要求9所述的制冷剂系统，其中，用于将一部分制冷剂分流到节能器回路的分流制冷剂线路设置在节能器热交换器的下游，并随后经过与节能器回路相关联的并且在分流点和节能器膨胀装置之间的热电冷却器。
15.如权利要求9所述的制冷剂系统，其中，用于将一部分制冷剂分流到节能器回路的分流制冷剂线路设置在节能器热交换器的上游，并随后在其通往节能器热交换器的途中经过热电冷却器。
16.如权利要求15所述的制冷剂系统，其中，热电冷却器设置在节能器膨胀装置的上游和分流点的下游。
17.如权利要求15所述的制冷剂系统，其中，热电冷却器设置在节能器膨胀装置的下游和节能器热交换器的上游。
18.如权利要求1所述的制冷剂系统，其中，所述节能器是闪蒸罐类型的节能器。
19.如权利要求18所述的制冷剂系统，其中，热电冷却器设置在节能器膨胀装置的下游和闪蒸罐的上游。
20.如权利要求18所述的制冷剂系统，其中，热电冷却器设置在闪蒸罐的下游和主膨胀装置的上游。
21.如权利要求1所述的制冷剂系统，其中，热电冷却器的热接点由空气，水或乙二醇溶液其中之一冷却。
22.如权利要求1所述的制冷剂系统，其中，用于移动空气经过热电冷却器的热接点的空气移动装置设置成使得其还移动空气经过散热热交换器。
23.如权利要求1所述的制冷剂系统，其中，热电冷却器用于制冷剂系统的卸载。
24.一种用于操作制冷剂系统的方法，包括步骤：
(1)压缩制冷剂并且将其向下游输送到散热热交换器，来自散热热交换器的制冷剂经过主膨胀装置，并随后在返回到被压缩之前流到吸热热交换器；
(2)提供位于该制冷剂系统中的节能器，使得主制冷剂流线路从所述散热热交换器传递到所述节能器，然后到主膨胀装置，并使得分流制冷剂线路从所述主制冷剂流线路分流制冷剂以及使分流制冷剂线路传递通过节能器膨胀装置，然后通过所述节能器，所述分流制冷剂流线路中的制冷剂返回到压缩机中的中间压缩点；以及
(3)通过提供热电冷却器增强节能型制冷剂系统的性能。
25.如权利要求24所述的方法，其中，热电冷却器与节能器回路相关联。
26.如权利要求24所述的方法，其中，所述制冷剂系统至少在一部分时间内以亚临界循环工作。
27.如权利要求24所述的方法，其中，所述制冷剂系统至少在一部分时间内以跨临界循环工作。
28.如权利要求24所述的方法，其中，所述制冷剂系统利用二氧化碳作为制冷剂。
29.如权利要求24所述的方法，其中，热电冷却器包括具有不同的绝对热电势的两种半导体材料。
30.如权利要求24所述的方法，其中，热电冷却器包括至少一对P-型和N-型半导体材料。
31.如权利要求24所述的方法，其中，热电冷却器与主制冷剂回路相关联。
32.如权利要求24所述的方法，其中，所述节能器是热交换器类型的节能器。
33.如权利要求32所述的方法，其中，热电冷却器与主制冷剂回路相关联并且设置在节能器热交换器的下游。
34.如权利要求33所述的方法，其中，用于分流一部分制冷剂到节能器回路的分流制冷剂线路设置在热电冷却器的下游，并随后经过节能器热交换器。
35.如权利要求33所述的方法，其中，用于分流一部分制冷剂到节能器回路的分流制冷剂线路设置在热电冷却器的上游，并随后经过节能器热交换器。
36.如权利要求32所述的方法，其中，用于分流一部分制冷剂到节能器回路的分流制冷剂线路设置在节能器热交换器的下游，并随后经过与节能器回路相关联的并且设置在节能器膨胀装置和节能器热交换器之间的热电冷却器。
37.如权利要求32所述的方法，其中，用于分流一部分制冷剂到节能器回路的分流制冷剂线路设置在节能器热交换器的下游，并随后经过与节能器回路相关联的并且设置在分流点和节能器膨胀装置之间的热电冷却器。
38.如权利要求32所述的方法，其中，用于将一部分制冷剂分流到节能器回路的分流制冷剂线路设置在节能器热交换器的上游，并随后在其通往节能器热交换器的途中经过热电冷却器。
39.如权利要求38所述的方法，其中，热电冷却器设置在节能器膨胀装置的上游和分流点的下游。
40.如权利要求38所述的方法，其中，热电冷却器设置在节能器膨胀装置的下游和节能器热交换器的上游。
41.如权利要求24所述的方法，其中，所述节能器是闪蒸罐类型的节能器。
42.如权利要求41所述的方法，其中，热电冷却器设置在节能器膨胀装置的下游和闪蒸罐的上游。
43.如权利要求41所述的方法，其中，热电冷却器设置在闪蒸罐的下游和主膨胀装置的上游。
44.如权利要求24所述的方法，其中，热电冷却器的热接点由空气，水或乙二醇溶液其中之一冷却。
45.如权利要求24所述的方法，其中，用于移动空气经过热电冷却器的热接点的空气移动装置设置成使得其还移动空气经过散热热交换器。
46.如权利要求24所述的方法，其中，热电冷却器用于制冷剂系统的卸载。
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