CN103175323B - 使用三重管式热交换器的制冷装置 - Google Patents
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Abstract
一种制冷装置，构成为通过制冷剂管道(L1‑L6)至少将压缩机(1)、冷凝器(2)、三重管式热交换器(3)、膨胀阀(减压器)(4)、气液分离器(5)及蒸发器(6)串联连接以构成封闭回路的制冷剂循环回路，其特征在于，使从冷凝器(2)流向膨胀阀(4)的液态制冷剂通过三重管式热交换器(3)的第1外侧流道(S2)，使被气液分离器(5)分离的气态制冷剂从制冷剂管道(L9)通过三重管式热交换器(3)的内侧流道(S1)，使被蒸发器(6)蒸发的气态制冷剂从制冷剂管道(L5)通过三重管式热交换器(3)的第2外侧流道(S3)，且使通过该第2外侧流道(S3)的气态制冷剂与通过内侧流道的气态制冷剂在制冷剂管道(L6、L10)中合流后导入压缩机(1)。本发明使用三重管式热交换器的制冷装置能通过高压液态制冷剂的过冷却来提高制冷能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种用在3个独立的流道中流动的流体之间进行热交换的三重管式热交换器对经冷凝器冷凝后的液态制冷剂进行过冷却以提高制冷能力的制冷装置。
背景技术
一般的制冷装置是通过制冷剂管道将压缩机、冷凝器、减压器以及蒸发器串联连接以构成封闭回路的制冷剂循环回路，通过冷凝器的散热使经压缩机压缩的高压气态制冷剂液化成液态制冷剂，并通过膨胀阀等减压器使该高压的液态制冷剂膨胀并减压，然后使沸点下降的低压液态制冷剂在蒸发器中蒸发，且从制冷库内等吸取此时的蒸发潜热，由此将制冷库内等冷却。
作为提高这类制冷装置的制冷能力或性能系数(COP)的方法，例如在专利文献1中所记载的方法包括：设置气液热交换器，将用冷凝器液化的高压液态制冷剂与抽出一部分而被减压的低压的气态制冷剂进行热交换，从而将高压液态制冷剂加以过冷却。
在专利文献2中所提出的方法则是设置气液热交换器(辅助热交换器)和气液分离器，且在气液热交换器中使经过冷凝器液化的高压液态制冷剂与在气液分离器中分离的低压气态制冷剂进行热交换，从而对高压液态制冷剂进行过冷却。
专利文献1日本实开平1-169772号公报
专利文献2日本特开平11-014167号公报
然而，采用专利文献1公开的方法时，由于吸入压缩机的气态制冷剂被加热而导致压缩机的排出温度上升，因此需要将通过冷凝器液化的高压液态制冷剂的一部分抽出以注入气态制冷剂中并降低压缩机的排出温度；而且一旦这样将通过冷凝器液化的高压液态制冷剂的一部分抽出并注入，就会有减少蒸发器内的制冷剂循环量而使制冷能力下降的问题。
而采用专利文献2的方法时，由于在气液分离器中分离的低温低压的气态制冷剂会绕过蒸发器而流入压缩机，因此负荷变动或压缩机转速的变动会导致气液分离器的分离性能下降，并且会发生一部分液态制冷剂被吸入压缩机的返液现象，会有使压缩机的负荷增大等问题。
发明内容
本发明正是为了解决上述问题，目的在于提供一种制冷装置，通过高压液态制冷剂的过冷却来提高制冷能力，同时能够防止液态制冷剂流入压缩机所导致的返液发生。
为了实现上述目的，本发明第1技术方案的制冷装置通过制冷剂管道至少将压缩机、冷凝器、三重管式热交换器、减压器、气液分离器以及蒸发器串联连接以构成封闭回路的制冷剂循环回路，其特征在于：
使从所述冷凝器流向所述减压器的液态制冷剂通过所述三重管式热交换器的第1外侧流道，使被所述气液分离器分离的气态制冷剂通过所述三重管式热交换器的内侧流道，使被所述蒸发器蒸发的气态制冷剂通过所述三重管式热交换器的第2外侧流道，以及使通过该第2外侧流道的气态制冷剂与通过所述内侧流道的气态制冷剂合流并导入所述压缩机。
本发明技术方案2是在技术方案1的基础上，其进一步特点是所述三重管式热交换器的内侧流道的截面积被设定成比第1及第2外侧流道各自的截面积小。
本发明技术方案3是在技术方案1或2的基础上，其进一步特点是使从所述冷凝器流向所述减压器的液态制冷剂的一部分至注入将所述气液分离器与所述三重管式热交换器的内侧通道连接的制冷剂管道中。
根据本发明技术方案1，因在冷凝器中的冷凝而被液化且流向减压器的高压液态制冷剂在通过三重管式热交换器的第1外侧流道的过程中，由于通过内侧流道的气态制冷剂(被气液分离器分离的气态制冷剂)与通过第2外侧流道的气态制冷剂(被蒸发器蒸发的气态制冷剂)间的热交换而被有效地过冷却，因此其过冷却产生的热量就能相应地增大蒸发器中的蒸发潜热，从而使制冷装置的制冷能力及性能系数(COP)得以提高。
根据本发明技术方案2，由于三重管式热交换器的内侧流道的截面积被设定成比第1及第2外侧流道的各自的截面积小，因此即使由于负荷变动等导致液态制冷剂从气液分离器流入三重管式热交换器的内侧流道，也会由于其液态制冷剂通过与在第1外侧流道流动的高压液态制冷剂间的热交换而蒸发，因此能够防止液态制冷剂流入压缩机导致返液发生。
根据本发明技术方案3，由于在连接气液分离器与三重管式热交换器的内侧通道的制冷剂管道中被注入的液态制冷剂蒸发，使提供给三重管式热交换器中的高压制冷剂过冷却用的气态制冷剂(在气液分离器中分离后通过内侧通道的气态制冷剂)的温度上升得以被抑制，因此能够不影响减压器的温度控制，抑制压缩机吸入的气态制冷剂的温度上升，从而可使压缩机的排出温度上升得到抑制，以防止压缩机内的油劣化。另外，注入的液态制冷剂量会使蒸发器内的制冷剂循环量相应地减少，但伴随这种制冷剂循环量减少而来的制冷能力下降却能被三重管式热交换器中的高压制冷剂的有效率过冷却加以补偿。
附图说明
图1是本发明的制冷装置的制冷剂回路图。
图2是本发明的制冷装置的三重管式热交换器的连接图。
图3是图2的X-X线剖视图。
图4是表示本发明的制冷装置中的制冷剂状态变化的莫里尔图。
图5是将本发明的制冷装置的三重管式热交换器中相对于制冷剂流量的气液热交换量与过去的螺旋式热交换器进行比较的图。
附图标记说明
1 压缩机
2 冷凝器
3 三重管式热交换器
4 膨胀阀(减压器)
5 气液分离器
6 蒸发器
7 分油器
8 储存罐(receiver tank)
9 干燥器
10 检视窗
11 储液器(accumulator)
12 油冷却器
13 毛细管
14 第1管
15 第2管
16 第3管
L1～L6 制冷剂管道
L7 回油管
L8 注入管道
L9、L10 制冷剂管道
S1 内侧流道
S2 第1外侧流道
S3 第2外侧流道
V1 电磁开闭阀
V2 吸入压力调节阀(ZSP阀)
V3 电磁开闭阀
具体实施方式
以下根据附图说明本发明的实施形态。
图1是本发明的制冷装置的制冷剂回路图，图2是该制冷装置的三重管式热交换器的连接图，图3是图2的X-X线剖视图。
如图1所示，本发明的制冷装置基本上是用制冷剂管道L1、L2、L3、L4、L5、L6将压缩机1、冷凝器2、三重管式热交换器3、作为减压器的膨胀阀4、气液分离器5、以及蒸发器6等主要设备连接而成。
制冷剂管道L1用于将压缩机1的排出侧与冷凝器2的入口侧连接，在该制冷剂管道L1上连接着分油器7和电磁开闭阀V1。另外，在从冷凝器2的出口侧延伸而与三重管式热交换器3的入口侧连接的制冷剂管道L2上连接着储存罐(receiver tank)8和干燥器(D)9以及检视窗(S.G)10。而在将三重管式热交换器3的出口侧和气液分离器5加以连接的制冷剂管道L3上设有所述膨胀阀4，从蒸发器6的出口侧延伸的制冷剂管道L5与三重管式热交换器3连接，以及从三重管式热交换器3延伸而与压缩机1的吸入侧连接的制冷剂管道L6上连接有吸入压力调节阀(ZSP阀)V2和储液器(accumulator)11。
另外，从分油器7延伸的回油管L7连接在制冷剂管道L6的吸入压力调节阀V2与储液器11之间，其途中设有油冷却器12。
并且，从制冷剂管道L2的检视窗10与三重管式热交换器3之间分支出注入管道L8，该注入管道L8与制冷剂管道L9的途中连接，而该制冷剂管道L9则是从气液分离器5的上部延伸而与三重管式热交换器3连接，在该注入管道L8的途中设有电磁开闭阀V3和流量调节用的毛细管13。另外，从三重管式热交换器3延伸的制冷剂管道L10与制冷剂管道L6的刚从三重管式热交换器3延伸出的部分连接。
以下根据图2及图3说明三重管式热交换器3的构造及与之相连的制冷剂管道L2、L3、L5、L6、L9、L10的连接构造。
如图3所示，三重管式热交换器3如下构成：中心部是沿图3的纸面垂直方向配置的圆管状的第1管14，在该第1管14的外周配置有第2管15，该第2管15的管壁沿圆周方向连续而成为放射状(花瓣状)截面，从而变形成凹凸状，在该第2管15的外周配置有大直径的圆管状的第3管16。在第1管14的内部形成内侧流道S1，在第2管15的内部形成第1外侧流道S2，在第2管15与第3管16之间的空间形成有第2外侧流道S3。在本实施形态中，内侧流道S1的截面积被设定成比第1及第2外侧流道S2、S3各自的截面积小。
然后，如图2所示，从所述冷凝器2(参照图1)延伸的制冷剂管道L2与三重管式热交换器3的第1外侧流道S2(参照图3)的入口连接，从第1外侧流道S2的出口延伸的制冷剂管道L3与气液分离器5连接，在其途中设有所述膨胀阀4。另外，从蒸发器6延伸的制冷剂管道L5与三重管式热交换器3的第2外侧流道S3(参照图3)的入口连接，且在第2外侧流道S3的出口连接制冷剂管道L6，且制冷剂管道L6连向压缩机1(参照图1)。
而从气液分离器5延伸的制冷剂管道L9与三重管式热交换器3的内侧流道S1(参照图3)的入口连接，且在其途中连接从制冷剂管道L2分支出的注入管道L8，在该注入管道L8的途中设有所述电磁开闭阀V3和流量调节用的所述毛细管13。并且，从内侧流道S1的出口延伸的制冷剂管道L10与从第2外侧流道S3的出口延伸的制冷剂管道L6连接。
以下使用图4的莫里尔图(P-i线图)说明上述结构的制冷装置的作用。
一旦压缩机1受图中未示的发动机等动力源的驱动，处于图4的a所示状态(压力P1、焓i1)的气态制冷剂便被压缩机1压缩而成为图4的b所示状态(压力P2、焓i2)的高温高压的气态制冷剂(压缩过程)，该气态制冷剂通过制冷剂管道L1而被导入冷凝器2。而此时的压缩机1的压缩动力W(热量换算)用(i2-i1)来表示。
在冷凝器2中，高温高压的气态制冷剂向外部空气散放冷凝热Q2而从图4中b→c作状态变化(相变)，从而液化(冷凝过程)，并且变成图4中c所示状态(压力P2、焓i3)的高压液态制冷剂。而此时的散热量(冷凝热)Q2用(i2-i3)来表示。
如上述那样在冷凝器2中液化的高压液态制冷剂的一部分通过注入管道L8而被注入制冷剂管道L9，但该液态制冷剂因通过毛细管13而被减压，从而发生绝热膨胀(等焓膨胀)，且成为图4中d所示的状态(压力P1、焓i3)，其中一部分气化，且与如后述那样在气液分离器5中分离而沿着图2的箭头方向流过制冷剂管道L9的处于图4中状态d’(压力P1、焓i3’)的低压气态制冷剂合流。
另一方面，其余大部分的高压液态制冷剂则从制冷剂管道L2流向三重管式热交换器3，且在沿着图2中箭头方向在三重管式热交换器3的第1外侧流道S2(参照图3)中流动的过程中，由于在制冷剂管道L9中流动且在途中与从注入管道L8注入的低压液态制冷剂(一部分正在气化)合流而沿图2中箭头方向流过三重管式热交换器3的内侧流道S1(参照图3)的低压气态制冷剂、与因在蒸发器6中的蒸发而汽化从而从制冷剂管道L5沿图2的箭头方向流过三重管式热交换器3的第2外侧流道S3(参照图3)的处于图4中状态a’(压力P1、焓i1’)的低压气态制冷剂之间进行的热交换而被过冷却。即，从冷凝器2流向膨胀阀4的高压液态制冷剂由于通过三重管式热交换器3而被过冷却，从而从图4中c→c’的状态(压力P2、焓i3’)作状态变化，且以图中所示的ΔQ2(＝i3-i3’)被过冷却。另外，在三重管式热交换器3中，如图2的箭头所示，高压液态制冷剂在第1外侧流道S2中流动的方向与2个系统的低压气态制冷剂在内侧流道S1和第2外侧流道S3中流动的方向互为相反(逆流)。
而在三重管式热交换器3中被过冷却的高压液态制冷剂则在通过膨胀阀4时被减压而作绝热膨胀(等焓膨胀)(膨胀过程)，并且从图4中c’→d’的状态(压力P1、焓i3’)作状态变化，其中一部分发生气化。如此发生部分气化的制冷剂通过制冷剂管道L3后导入至气液分离器5而进行气液分离，并且低压气态制冷剂在如上述那样从制冷剂管道L9流向三重管式热交换器3的途中与从注入管道L8注入的低压液态制冷剂(一部分正在被气化)合流，并且合流后的气态制冷剂在流过三重管式热交换器3的内侧流道S1的过程中，被用于对在第1外侧流道S2中流动的高压液态制冷剂进行过冷却。而且流过三重管式热交换器3的内侧通道S1而向制冷剂管道10排出的低压气态制冷剂则如图1及图2所示那样与流过制冷剂管道L6的低压气态制冷剂(以蒸发器6蒸发而在三重管式热交换器3中提供给高压液态制冷剂进行过冷却的低压气态制冷剂)合流。
另外，气液分离器5内的呈图4中状态d’(压力P1、焓i3’)的低压液态制冷剂通过制冷剂管道L4后被导入蒸发器6，且在通过该蒸发器6的过程中从周围吸取蒸发热Q1而从d’→a’(压力P1、焓i1’)作状态变化，从而蒸发(蒸发过程)，成为状态a’的气态制冷剂。而且此时的蒸发热量(蒸发潜热)Q1用(i1’-i3’)来表示，但如前所述，由于在气液热交换器3中按ΔQ2(＝i3-i3’)对高压液态制冷剂进行了过冷却，因此可按该过冷却的热量ΔQ2而相应地增大蒸发热量Q1，并且相应地提高制冷能力。
然后，在蒸发器6中蒸发的低压气态制冷剂通过制冷剂管道L5后供给至三重管式热交换器3，且在如前述那样流过三重管式热交换器3的第2外侧流道S3的过程中，被用于对流过第1外侧流道S2的高压液态制冷剂进行过冷却。而且如此用于对高压液态制冷剂进行过冷却的低压气态制冷剂由于与高压液态制冷剂间的热交换以及与来自制冷剂管道L10的气态制冷剂的合流而使温度上升，且在被吸入压缩机1的阶段，其状态从图4所示的a’→a(压力P1、焓i1)变化，从而以图示的热量ΔQ1(＝i1-i1’)而被过热。而且该气态制冷剂被压缩机1再度压缩，然后重复与以上同样的状态变化(制冷循环)，而包含在从压缩机1排出的高压气态制冷剂中的油则通过分油器7实现与制冷剂的分离，分离后的油从回油管L7返回制冷剂管道L6，且在储液器11中与气态制冷剂混合后被吸引到压缩机1，用于压缩机1内各部分的润滑。
本发明的制冷装置反复进行以上说明的制冷循环，并且通过蒸发器6中随着低压液态制冷剂的蒸发而产生的吸热来进行所需的制冷，根据本发明的制冷装置，可得到以下效果。
通过在冷凝器2中的冷凝而液化并且流向膨胀阀4的高压液态制冷剂在通过三重管式热交换器3的第1外侧流道S2的过程中，因通过内侧流道S 1的气态制冷剂(由气液分离器5分离的气态制冷剂)与从注入管道L8注入的低压液态制冷剂(一部分正在气化)以及通过第2外侧流道S3的气态制冷剂(由蒸发器6蒸发的气态制冷剂)之间的热交换而被有效率地过冷却，因此其过冷却产生的热量使蒸发器6中的蒸发潜热相应增大，使制冷能力及性能系数(COP)得以提高。在本实施例中，制冷装置的设定温度到达时间缩短3％，并且如后所述，三重管式热交换器3的热交换效率提高30％～70％。
另外，在三重管式热交换器3中，管壁沿圆周方向连续而成为放射状截面、从而变形成凹凸状的第2管15的传热面积增大，因此确保了很高的热交换效率。而且流过第2管内部的第1外侧流道S2的高压液态制冷剂与分别流过内侧流道S1及第2外侧流道S3的2个系统的低压气态制冷剂之间进行热交换，从而能够对流过第1外侧流道S2的高压液态制冷剂进行过冷却，因此流过第1外侧流道S2的高压液态制冷剂与流过内侧流道S1及第2外侧流道S3的2个系统的低压气态制冷剂间的热交换量增大，能够有效地对流过第1外侧流道S2的高压液态制冷剂进行过冷却，从而提高制冷装置的制冷能力。
另外，本发明的制冷装置将三重管式热交换器3的内侧流道S1的截面积设定成比第1及第2外侧流道S2、S3各自的截面积小，因此即使由于负荷变动等导致液态制冷剂从气液分离器5流入三重管式热交换器3的内侧流道S1，也会通过其液态制冷剂与在第1外侧流道S2流动的高压液态制冷剂间的热交换而蒸发，因此能够防止液态制冷剂流入压缩机1而导致的返液发生。
另外，本发明的制冷装置由于在连接气液分离器5与三重管式热交换器3的内侧通道S1的制冷剂管道L9中被注入的液态制冷剂蒸发，使提供给三重管式热交换器3中的高压制冷剂过冷却用的气态制冷剂(在气液分离器5中分离后通过内侧通道S1的气态制冷剂)的温度上升得以被抑制，因此能够不影响膨胀阀4的温度控制而抑制压缩机1吸入的气态制冷剂的温度上升。因此可得到使压缩机1的排出温度上升得到抑制，防止了压缩机1内的油劣化的效果。另外，注入的液态制冷剂量会使蒸发器6内的制冷剂循环量相应地减少，但伴随这种制冷剂循环量减少而来的制冷能力下降却能被三重管式热交换器3中的高压液态制冷剂的有效率过冷却加以补偿。
图5中用曲线A、B分别表示与本发明的制冷装置的三重管式热交换器及过去的螺旋式热交换器的制冷剂流量相对的气液热交换量，将二者加以比较可知，本发明的制冷装置的三重管式热交换器的气液热交换量大于过去的螺旋式热交换器。
另外，下表中示出了与本发明的制冷装置的三重管式热交换器及过去的螺旋式热交换器的各种冷库内温度(-20℃、-10℃、0℃、10℃)相对的各个气液热交换量(W)。
表1
| 冷库内温度 | -20℃ | -10℃ | 0℃ | 10℃ |
| 三重管式热交换器 | 1435 | 1666 | 1804 | 1849 |
| 螺旋式热交换器 | 1106 | 1168 | 1163 | 1092 |
| 性能提高率 | 30％ | 43％ | 55％ | 69％ |
从上表可知，本发明的制冷装置的三重管式热交换器的气液热交换量大于过去的螺旋式热交换器，并且本发明的制冷装置的三重管式热交换器显著地提高了性能。
另外，在本实施例中，减压器是用膨胀阀，但减压器也可以使用毛细管或涡流管等其它任意装置。
Claims (3)
1.一种使用三重管式热交换器的制冷装置，通过制冷剂管道至少将压缩机、冷凝器、三重管式热交换器、减压器、气液分离器以及蒸发器串联连接以构成封闭回路的制冷剂循环回路，其特征在于：
所述三重管式热交换器是由垂直于管形状长度方向的截面为圆管状的第1管、在所述第1管的外周沿周方向形成为连续凹凸状管壁的第2管、及配置在所述第2管的外周的圆管状的第3管所构成，将所述第1管的内部作为内侧流道，将所述第1管与第2管间的空间作为第1外侧流道，将所述第2管与所述第3管间的空间作为第2外侧流道时，
从所述冷凝器流向所述减压器的液态制冷剂通过所述第1外侧流道，被所述气液分离器分离的气态制冷剂通过所述内侧流道，被所述蒸发器蒸发的气态制冷剂通过所述第2外侧流道，且使通过了该第2外侧流道的气态制冷剂与通过了所述内侧流道的气态制冷剂合流后导入所述压缩机。
2.一种使用三重管式热交换器的制冷装置，通过制冷剂管道至少将压缩机、冷凝器、三重管式热交换器、减压器、气液分离器以及蒸发器串联连接以构成封闭回路的制冷剂循环回路，其特征在于：
所述三重管式热交换器是由垂直于管形状长度方向的截面为圆管状的第1管、在所述第1管的外周的第2管、及配置在所述第2管的外周的圆管状的第3管所构成，将所述第1管的内部作为内侧流道，将所述第1管与第2管间的空间作为第1外侧流道，将所述第2管与所述第3管间的空间作为第2外侧流道时，
使从所述冷凝器流向所述减压器的液态制冷剂通过所述三重管式热交换器的第1外侧流道，使被所述气液分离器分离的气态制冷剂通过所述三重管式热交换器的内侧流道，使被所述蒸发器蒸发的气态制冷剂通过所述三重管式热交换器的第2外侧流道，且使通过了该第2外侧流道的气态制冷剂与通过了所述内侧流道的气态制冷剂合流后导入所述压缩机，
使从所述冷凝器流向所述减压器的液态制冷剂的一部分注入至将所述气液分离器与所述三重管式热交换器的内侧流道连接的制冷剂管道中。
3.如权利要求1或2所述的使用三重管式热交换器的制冷装置，其特征在于，将所述三重管式热交换器的所述内侧流道的截面积设定成比所述第1及第2外侧流道各自的截面积小。
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