CN103429971B - 冷冻循环装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种冷冻循环装置(1A)，具备：蒸发器(23)，其贮存冷媒液，并且在内部使冷媒液蒸发；冷凝器(22)，其在内部使冷媒蒸汽冷凝，并且贮存冷媒液；蒸汽路径(2A)，其从蒸发器(23)向冷凝器(22)引导冷媒蒸汽，并设置有压缩机(21)；液体路径(2B)，其从冷凝器(22)向蒸发器(23)引导冷媒液；冷凝侧循环路径(4)，其使贮存在冷凝器(22)的冷媒液经由散热用热交换器(41)进行循环，且在散热用热交换器(41)的上游侧设置有冷凝侧泵(45)；和回流路径(7)，其将在冷凝侧循环路径(4)中的比散热用热交换器(41)更下游侧的部分流过的冷媒液的一部分，引导至冷凝侧循环路径(4)中的比冷凝侧泵(41)更上游侧的部分或者冷凝器(22)的底部。

Description

冷冻循环装置
技术领域
本发明涉及一种冷冻循环装置。
背景技术
以往，作为冷冻循环装置，使用了氟利昂(chlorofluorocarbon)冷媒、代用氟利昂冷媒的装置被广泛利用。但是，这些冷媒具有破坏臭氧层、地球温室化等问题。因此，提出了使用水作为对地球环境的负担极小的冷媒的冷冻循环装置。例如，在专利文献1中，公开了如图5所示的冷冻循环装置100作为这样的冷冻循环装置。
冷冻循环装置100具有冷媒电路110，该冷媒电路110中，蒸发器111、压缩机112以及冷凝器113按照此顺序依次被连接。蒸发器111以及冷凝器113中贮存水。蒸发器111中贮存的水，通过吸热用循环路径120，经由低温侧负荷部121而循环。冷凝器113中贮存的水，通过散热用循环路径130，经由高温侧负荷部131而循环。循环路径120、130上分别设置有泵122、132。压缩机112从蒸发器111吸入水蒸汽并进行压缩，将压缩了的水蒸汽排出到冷凝器113。
在像专利文献1的冷冻循环装置100那样，使用了水作为冷媒的情况下，由于在物理特性上，与使用了氟利昂冷媒、代用氟利昂冷媒的冷冻循环相比，高压侧压力Pc与低压侧压力Pe的压力差变小，因此存在需要高精度的膨胀阀以及其复杂的控制的问题。对于这个问题，在专利文献1中记载的冷冻循环装置100中，通过基于蒸发器111内的水面高度与冷凝器113内的水面高度之间的水平差Δh，确保高压侧压力Pc与低压侧压力Pe的压力差，从而不需要高精度的膨胀阀以及其复杂的控制。由此，能够简化将水作为冷媒而使用的情况下的系统控制，提高冷冻循环装置的可靠性。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第4454456号公报
发明要解决的课题
但是，专利文献1的冷冻循环装置100具有将装置小型化的余地。
发明内容
本公开鉴于上述情况而作出，其目的在于，使得在使用了像水这样的常温(日本工业规格：20℃±15℃/JISZ8703)下的饱和蒸汽压为负压的冷媒的冷冻循环装置中，能够实现装置的小型化。
解决课题的手段
为了达成上述目的，本公开提供一种使用了常温下的饱和蒸汽压为负压的冷媒的冷冻循环装置，具备：
蒸发器，其贮存冷媒液，并且在内部使冷媒液蒸发；
冷凝器，其在内部使冷媒蒸汽冷凝，并且贮存冷媒液；
蒸汽路径，其从所述蒸发器向所述冷凝器引导冷媒蒸汽，并设置有压缩机；
液体路径，其从所述冷凝器向所述蒸发器引导冷媒液；
冷凝侧循环路径，其使贮存在所述冷凝器的冷媒液经由散热用热交换器进行循环，且在所述散热用热交换器的上游侧设置有冷凝侧泵；和
回流路径，其将在所述冷凝侧循环路径中的比所述散热用热交换器更下游侧的部分流过的冷媒液的一部分，引导至所述冷凝侧循环路径中的比所述冷凝侧泵更上游侧的部分或者所述冷凝器的底部。
发明效果
根据本公开，能够使冷冻循环装置小型化。
附图说明
图1是与本发明的第1实施方式有关的冷冻循环装置的结构图。
图2是第1实施方式的变形例的冷冻循环装置的结构图。
图3是与本发明的第2实施方式有关的冷冻循环装置的结构图。
图4是第2实施方式的变形例的冷冻循环装置的结构图。
图5是以往的冷冻循环装置的结构图。
具体实施方式
在专利文献1的冷冻循环装置100中，由于高压侧压力Pc与低压侧压力Pe的压力差，导致冷凝器113内的水面高度比蒸发器111内的水面高度低。因此，冷冻循环装置100的整体高度，大致由冷凝器113侧的泵132的有效吸入头(availableNPSH)hp、上述的水平差Δh、与用于将水蒸发所需要的面积确保在蒸发器111内的高度hex的和所规定。因此，在将冷凝器113内的水面高度设为对于泵132中的空化(cavitation)的抑制而言足够的高度的情况下(也就是说，泵132的有效吸入头hp与泵132的必要吸入头(requiredNPSH)相比，足够大的情况下)，冷冻循环装置100就变得非常大型。
本公开的第1方式提供一种使用了常温下的饱和蒸汽压为负压的冷媒的冷冻循环装置，具备：
蒸发器，其贮存冷媒液，并且在内部使冷媒液蒸发；
冷凝器，其在内部使冷媒蒸汽冷凝，并且贮存冷媒液；
蒸汽路径，其设置了从所述蒸发器向所述冷凝器引导冷媒蒸汽的压缩机；
液体路径，其从所述冷凝器向所述蒸发器引导冷媒液；
冷凝侧循环路径，其使贮存在所述冷凝器中的冷媒液经由散热用热交换器进行循环，且在所述散热用热交换器的上游侧设置有冷凝侧泵；和
回流路径，其将在所述冷凝侧循环路径中的所述散热用热交换器的下游侧的部分流动的冷媒液的一部分，引导至所述冷凝侧循环路径中的所述冷凝侧泵的上游侧的部分或者所述冷凝器的底部。
根据第1方式，在从冷凝器被吸入冷凝侧泵的高温的冷媒液中，混合由散热用热交换器冷却了的冷媒液的一部分。由此，能够减小冷凝侧泵的必要吸入头。其结果，即使冷凝侧泵的有效吸入头变小，也能够抑制冷凝侧泵中的空化，从而能够使冷冻循环装置小型化。
本公开的第2方式提供一种冷冻循环装置，在第1方式的基础上，还具备流量控制阀，该流量控制阀设置在所述回流路径上，对流过该回流路径的冷媒液的流量进行控制。根据第2方式，能够对回流路径中的冷媒液的流量适当地进行控制。
本公开的第3方式提供一种使用了常温下的饱和蒸汽压为负压的冷媒的冷冻循环装置，具备：
蒸发器，其贮存冷媒液，并且在内部使冷媒液蒸发；
冷凝器，其在内部使冷媒蒸汽冷凝，并且贮存冷媒液；
蒸汽路径，其从所述蒸发器向所述冷凝器引导冷媒蒸汽，并设置有压缩机；
液体路径，其从所述冷凝器向所述蒸发器引导冷媒液；
蒸发侧循环路径，其使贮存在所述蒸发器中的冷媒液经由吸热用热交换器进行循环，且在所述吸热用热交换器的上游侧设置有蒸发侧泵；
冷凝侧循环路径，其使贮存在所述冷凝器中的冷媒液经由散热用热交换器进行循环，且在所述散热用热交换器的上游侧设置有冷凝侧泵；
第1迂回路径，其将在所述蒸发侧循环路径中的所述蒸发侧泵与所述吸热用热交换器之间的部分流过的冷媒液的一部分，引导至所述冷凝侧循环路径中的所述冷凝侧泵的上游侧的部分或者所述冷凝器的底部；和
第2迂回路径，其将在所述冷凝侧循环路径中的所述散热用热交换器的下游侧的部分流过的冷媒液的一部分，引导至所述蒸发侧循环路径中的所述吸热用热交换器的下游侧的部分或者所述蒸发器。
根据第3方式，在从冷凝器吸入冷凝侧泵的高温的冷媒液中，混合从蒸发器抽出的低温的冷媒液的一部分。由此，能够减小冷凝侧泵的必要吸入头。其结果，即使冷凝侧泵的有效吸入头变小，也能够抑制冷凝侧泵中的空化，从而能够使冷冻循环装置小型化。进一步，由于通过了散热用热交换器的冷媒液的一部分，通过第2迂回路径返回到蒸发侧循环路径，因此能够防止蒸发器内的冷媒液枯竭。
本公开的第4方式提供一种冷冻循环装置，在第3方式的基础上，还具备：第1流量控制阀，该第1流量控制阀设置在所述第1迂回路径上，对流过该第1迂回路径的冷媒液的流量进行控制；和第2流量控制阀，该第2流量控制阀设置在所述第2迂回路径上，对流过该第2迂回路径的冷媒液的流量进行控制。根据第3方式，能够对第1迂回路径以及第2迂回路径中的冷媒液的流量适当地进行控制。
下面，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。但是，本发明并不由下面的实施方式限定。
(第1实施方式)
图1表示本实施方式的冷冻循环装置1A。本冷冻循环装置1A使用了以水或者酒精作为主要成分的冷媒，具备作为蒸发器23以及冷凝器22而起作用的两个真空容器。真空容器内是比大气压低的负压状态。作为用于冷媒循环装置1A的冷媒，能够使用像包含水、酒精或者乙醚作为主要成分的冷媒那样，常温下的饱和蒸汽压为负压(在绝对压下比大气压低的压力)的冷媒。
蒸发器23以及冷凝器22通过蒸汽路径2A以及液体路径2B相互连接。蒸发器23贮存冷媒液，并且在内部使冷媒液蒸发，冷凝器22在内部使冷媒蒸汽冷凝，并且贮存冷媒液。蒸汽路径2A将冷媒蒸汽从蒸发器23引导至冷凝器22，液体路径2B将冷媒液从冷凝器22引导至蒸发器23。在蒸汽路径2A设置有吸入冷媒蒸汽、压缩并排出的压缩机21。也就是说，蒸汽路径2A以及液体路径2B以按顺序依次通过蒸发器23、压缩机21以及冷凝器22的方式，形成使冷媒循环的主电路。
压缩机21是例如还能够对应高压力比的离心式压缩机。但是，压缩机21也可以是容积式压缩机或者多段式压缩机。此外，也可以将具备在多段式压缩机的中途对冷媒蒸汽进行冷却的中间冷却单元的系统作为压缩机21而使用。作为中间冷却单元，能够使用直接接触式、间接式的热交换器。
冷凝器22是将从压缩机2排出的过热状态的冷媒蒸汽，与通过后述的散热用热交换器41进行冷却后的过冷却状态的冷媒液直接接触，来使其冷凝的热交换器。但是，冷凝器22也可以是过去以来在冷冻循环装置中就被使用的管壳式(shellandtube)热交换器。通过冷凝器22冷凝的冷媒液的一部分经由液体路径2B导入到蒸发器23。
蒸发器23是使通过后述的吸热用热交换器31加热的冷媒液减压沸腾的热交换器。但是，冷凝器23也可以是在现有技术的冷冻循环装置中就被使用的管壳式热交换器。
蒸发器23以及冷凝器22分别连接第1循环路径(蒸发侧循环路径)3以及第2循环路径(冷凝侧循环路径)4。第1循环路径3使贮存在蒸发器23中的冷媒液经由吸热用热交换器31循环，第2循环路径4使贮存在冷凝器22中的冷媒液经由散热用热交换器41循环。在第1循环路径3中吸热用热交换器31的上游侧，设置有第1泵(蒸发侧泵)35，在第2循环路径4中散热用热交换器41的上游侧，设置有第2泵(冷凝侧泵)45。
第1泵35以及第2泵45，是能够通过旋转数对与运转条件相应的流量进行控制的泵。第1泵35以及第2泵45设置在蒸发器23以及冷凝器22的下方，以使得例如为了防止空化发生，因而有效吸入头(从吸入口到液面的高度)与必要吸入头相比足够大。
吸热用热交换器31是例如具备送风机32的翅片(fintube)式热交换器。例如，在冷冻循环装置1A是进行室内的制冷的空气调和装置的情况下，吸热用热交换器31设置在室内，通过与冷媒液的热交换，对通过送风机32供给的室内的空气进行冷却。但是，吸热用热交换器31也可以是一直以来在冷冻循环装置中就被使用的放射板等的热负荷装置。
散热用热交换器41是例如具备送风机42的翅片式热交换器。例如，在冷冻循环装置1A是进行室内的制冷的空气调和装置的情况下，散热用热交换器41设置在室外，通过与冷媒液的热交换，对通过送风机42供给的室外的空气进行加热。但是，散热用热交换器41也可以是一直以来在冷冻循环装置中就被使用的冷却塔、放射板等的热负荷装置。
另外，冷冻循环装置1A不是必须为制冷专用的空气调和装置。例如，如果将设置在室内的第1热交换器以及设置在室外的第2热交换器分别通过四通阀，与蒸发器23以及冷凝器22连接，便能够得到能够切换暖气运行与暖气运行的空气调和装置。在这种情况下，第1热交换器以及第2热交换器两者作为吸热用热交换器31以及散热用热交换器41而起作用。此外，冷冻循环装置1A不是必须为空气调和装置，也可以是例如冷却器(chiller)。进一步，吸热用热交换器31的冷却对象以及散热用热交换器41的加热对象也可以是空气以外的气体或者液体。换言之，吸热用热交换器31以及散热用热交换器41的手段只要是间接式的，就不受特别限定。
进一步，在本实施方式的冷冻循环装置1A中，第1循环路径3以及第2循环路径4，通过第1迂回路径5以及第2迂回路径6相互连接。
第1迂回路径5从第1循环路径3中的第1泵35与吸热用热交换器31之间的部分(下面，称为“中间部分”。)分支，与第2循环路径4中的第2泵45的上游侧的部分(下面，称为“上游侧部分”。)相连。第1循环路径3中的第1迂回路径5分支的位置的压力，比第2循环路径4中的第1迂回路径5连接的位置的压力高。因此，第1迂回路径5中，冷媒液只从第1循环路径3流向第2循环路径4。也就是说，第1迂回路径5将流过第1循环路径3的中间部分的冷媒液的一部分，引导至第2循环路径4的上游侧部分。换言之，来自蒸发器23的冷媒液通过第1泵35升压后，被分配为流向吸热用热交换器31的部分，和经由第2循环路径4流向第2泵45的部分。
另外，上游侧部分包含：作为第2泵45的外壳的内部部分的、位于对第2泵45的冷媒液施加压力的部分的上游侧的部分。例如，在第2泵45是涡轮式的泵的情况下，所谓上游侧部分，意思是设置在第2泵45的外壳的内部的、比旋转翼的上游侧端处于更上游侧的部分。在第2泵45是涡轮泵的情况下，第1迂回路径5也可以在比第2泵45的旋转翼的上游侧端更上游侧的位置，与第2泵45的外壳相连。
第2迂回路径6从第2循环路径4中的散热用热交换器41的下游侧的部分(下面，称为“下游侧部分”。)分支，与第1循环路径3中的吸热用热交换器31的下游侧的部分(下面，称为“下游侧部分”。)相连。由于冷凝器22内的压力比蒸发器23内的压力高，因此第2迂回路径6中，冷媒液只从第2循环路径4流向第1循环路径3。也就是说，第2迂回路径6将流过第2循环路径4的下游侧部分的冷媒液的一部分，引导至第1循环路径3的下游侧部分。换言之，在散热用热交换器41中散热后的冷媒液，被分配为流向冷凝器22，和经由第1循环路径3流向蒸发器23的部分。
第2迂回路径6最好设计为流过与第1迂回路径5相同程度的流量的冷媒液。但是，第2迂回路径6也可以设计为，该第2迂回路径6中的质量流量是第1迂回路径5中的质量流量与在设置了压缩机21的蒸汽路径2A中的质量流量的总和。在这种情况下，能够省略液体路径2B。
例如，冷凝器22侧的第2泵45的额定流量是60L/min，第1迂回路径5设计为在第2泵45的额定工作时，1L/min的冷媒液流过该第1迂回路径5。此时，如果假设蒸发器23内的冷媒液的温度是281.35K，冷凝器22内的冷媒液的温度是316.85K，则第2泵45中最容易产生空化的叶轮顶端的冷媒液的温度能够下降到310K左右。其结果，能够减小0.346m的必要吸入头。
在本实施方式的冷冻循环装置1A中，能够大幅度地减小冷凝器22侧的第2泵45的必要吸入头，能够在仍旧确保可靠性的同时使冷冻循环装置1A小型化。
<变形例>
在所述实施方式中，流过第1迂回路径5以及第2迂回路径6的冷媒液的流量固定在第1迂回路径5以及第2迂回路径6各自的原始值，不能结合运行状况进行操作。但是，如图2所示，最好在第1迂回路径5设置对流过该第1迂回路径5的冷媒液的流量进行控制的第1流量控制阀51，在第2迂回路径6设置对流过该第2迂回路径6的冷媒液的流量进行控制的第2流量控制阀61。由此，能够对第1迂回路径5以及第2迂回路径6中的流量进行最佳控制，从而能够提高系统的性能以及提高第2泵45中的空化抑制性能。
第1流量控制阀51以及第2流量控制阀61的开度，最好调整为使得流过第1迂回路径5的冷媒液的流量与流过第2迂回路径6的冷媒液的流量相同。例如，如表1所示，流量控制阀51、61的开度根据第2泵45的旋转数被调整为相同的值。或者，如表2所示，流量控制阀51、61的开度既可以根据第2泵45的流量而被调整，如表3所示，也可以根据第2泵45的吸入口的压力而被调整。
【表1】
泵旋转数[rpm] 1000 1500 2000 2500 3000
阀开度[％] 20 40 60 80 100
【表2】
泵流量[L/min] 10 20 30 40 60
阀开度[％] 20 40 60 80 100
【表3】
吸入口压力[kPa] 13 18 25 37 55
阀开度[％] 20 40 60 80 100
此外，在所述实施方式中，第1迂回路径5的下游端与第2循环路径4的上游侧部分连接。但是，也可以使第1迂回路径5的下游端与冷凝器22的底部连接，通过第1迂回路径5将冷媒液引导至冷凝器22的底部。此处，所谓冷凝器22的底部，是指比冷凝器22内的液面最低的位置更下侧的部分。即使是这样的结构，虽然效果的程度根据所述实施方式会少许下降，但是能够减小第2泵45的必要吸入头。
此外，第2迂回路径6的下游端不是必须与第1循环路径3的下游侧部分连接，也可以与蒸发器23连接。在这种情况下，通过第2迂回路径6将冷媒液引导至蒸发器23。
(第2实施方式)
图3表示本实施方式的冷冻循环装置1B。另外，在本实施方式中，对于与第1实施方式相同的结构部分附加相同的符号，省略其说明。
在本实施方式的冷冻循环装置1B中，替代第1实施方式的冷冻循环装置1A中的第1迂回路径5以及第2迂回路径6，设置从第2循环路径4的下游侧部分分支，并与第2循环路径4的上游侧部分相连的回流路径7。回流路径7将流过第2循环路径4的下游侧部分的冷媒液的一部分引导至上游侧部分。与第1实施方式同样地，第2循环路径4的上游侧部分包含：作为第2泵45的外壳的内部部分的、位于对第2泵45的冷媒液施加压力的部分的上游侧的部分。在第2泵45是涡轮式的泵的情况下，回流路径7也可以在比第2泵45的旋转翼的上游侧端更上游侧的位置，与第2泵45的外壳相连。
在本实施方式的冷冻循环装置1B中，将通过散热用热交换器41散热后的冷媒液导入第2泵45。由此，与第1实施方式同样地，能够大幅度地减小冷凝器22侧的第2泵45的必要吸入头，能够在仍旧确保可靠性的同时使冷冻循环装置1B小型化。
在本实施方式中，回流路径7的下游端也可以连接冷凝器22的底部，通过回流路径7将冷媒液引导至冷凝器22的底部。此处，所谓冷凝器22的底部，是指比冷凝器22内的液面最低的位置更下侧的部分。
<变形例>
在所述实施方式中，流过回流路径7的冷媒液的流量规定为回流路径7各自的原始值，不能结合运行状况进行操作。但是，如图4所示，最好在回流路径7设置对流过该回流路径7的冷媒液的流量进行控制的流量控制阀71。由此，能够对回流路径7中的流量进行最佳控制，从而能够提高系统的性能以及提高第2泵45中的空化抑制性能。另外，能够与第1实施方式的变形例中所说明的同样地，调整流量控制阀71的开度。
产业上的可利用性
本发明的冷冻循环装置对于家用空调、业务用空调等有用。

Claims (4)

1.一种使用了常温下的饱和蒸汽压为负压的冷媒的冷冻循环装置，具备：
蒸发器，其贮存冷媒液，并且在内部使冷媒液蒸发；
冷凝器，其在内部使冷媒蒸汽冷凝，并且贮存冷媒液；
蒸汽路径，其从所述蒸发器向所述冷凝器引导冷媒蒸汽，并设置有压缩机；
液体路径，其从所述冷凝器向所述蒸发器引导冷媒液；
冷凝侧循环路径，其使贮存在所述冷凝器的冷媒液经由散热用热交换器进行循环，且在所述散热用热交换器的上游侧设置有冷凝侧泵；和
回流路径，其将在所述冷凝侧循环路径中的比所述散热用热交换器更下游侧的部分流过的冷媒液的一部分，引导至所述冷凝侧循环路径中的比所述冷凝侧泵更上游侧的部分或者所述冷凝器的底部。
2.根据权利要求1所述的冷冻循环装置，其特征在于，
该冷冻循环装置还具备流量控制阀，该流量控制阀设置在所述回流路径，对流过该回流路径的冷媒液的流量进行控制。
3.一种使用了常温下的饱和蒸汽压为负压的冷媒的冷冻循环装置，具备：
蒸发器，其贮存冷媒液，并且在内部使冷媒液蒸发；
冷凝器，其在内部使冷媒蒸汽冷凝，并且贮存冷媒液；
蒸汽路径，其从所述蒸发器向所述冷凝器引导冷媒蒸汽，并设置有压缩机；
液体路径，其从所述冷凝器向所述蒸发器引导冷媒液；
蒸发侧循环路径，其使贮存在所述蒸发器中的冷媒液经由吸热用热交换器进行循环，且在所述吸热用热交换器的上游侧设置有蒸发侧泵；
冷凝侧循环路径，其使贮存在所述冷凝器中的冷媒液经由散热用热交换器进行循环，且在所述散热用热交换器的上游侧设置有冷凝侧泵；
第1迂回路径，其将在所述蒸发侧循环路径中的所述蒸发侧泵与所述吸热用热交换器之间的部分流过的冷媒液的一部分，引导至所述冷凝侧循环路径中的比所述冷凝侧泵更上游侧的部分或者所述冷凝器的底部；和
第2迂回路径，其将在所述冷凝侧循环路径中的比所述散热用热交换器更下游侧的部分流过的冷媒液的一部分，引导至所述蒸发侧循环路径中的比所述吸热用热交换器更下游侧的部分或者所述蒸发器。
4.根据权利要求3所述的冷冻循环装置，其特征在于，
该冷冻循环装置还具备：
第1流量控制阀，该第1流量控制阀设置在所述第1迂回路径，对流过该第1迂回路径的冷媒液的流量进行控制；和
第2流量控制阀，该第2流量控制阀设置在所述第2迂回路径，对流过该第2迂回路径的冷媒液的流量进行控制。
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