CN103906529A - 充氦的制冷器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种制冷器，该制冷器提供使用氦气作为扩散气体的扩散吸收式制冷组件。所述制冷组件包括冷凝器、蒸发器、液氨管以及气体热交换器。所述液氨管包括具有进口的第一垂直剖面及所述第一垂直剖面下游的第二垂直剖面。液氨管的第二垂直剖面并不与所述热交换器相邻，其中，在第二垂直剖面和热交换器中流动的可流动流体之间不进行热交换。所述热交换器包括内管和外管，所述内管具有外表面，所述外管具有内表面。所述外表面和内表面分别带有锯齿状突起以增加相应表面的表面面积。所述制冷器包括了限定第一立体区域的冷冻器箱以及限定了第二立体区域的制冷器箱。第一和第二立体区域的总容量等于或大于6立方英尺。该组件能够在43℃(110℉)的环境温度下，将制冷器箱冷却至6℃(43℉)，并将冷冻器箱冷却至-9℃(15℉)。

Description

充氦的制冷器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年3月8日提出的申请号为13/415,796的美国专利申请的优先权，该申请要求了于2011年3月8日提出的申请号为61/450,237的美国临时专利申请的优先权，所述申请的全部内容以引用方式并入本申请。

技术领域

本发明总体涉及气体吸收制冷冷却系统，具体涉及一种大型休闲车用的(RecreationalVehicle，RV)充氦气的制冷器。

背景技术

典型的扩散吸收式制冷系统的冷却循环始于液氨在常温下进入蒸发器。液氨与氢在蒸发器中相混合。氢的分压力用于调节总压力，这反过来调节蒸气压，因而调节氨的沸点。氨在蒸发器中沸腾，提供所需的冷却。流体因重力而无休止地循环。

氢被认为是扩散吸收式制冷系统中所使用的最佳扩散气体，因为它是元素周期表中最轻的元素。氢有一个原子的重量，并且其分子量也大致相同。氢气一直是优选的扩散剂，因为氢气的分压很小，且易于计算，氢的分压能够调节封闭系统的整体压力。随着氢元素在系统的相位变化以及其中的溶解，氢是可预测的。

另一方面，氦具有两个原子的重量，并且其在作为用于这种冷却系统的扩散气体时被认为效率低下。更重的氦具有不同的分压，并且要求在氦充气系统中的氨气具有更高的沸腾温度。在户外更高环境温度下运行的制冷器难以达到理想的冷却温度。正常大小的扩散吸收式制冷器，例如其冷藏总容量大约是8立方英尺，不能使用氦，并且其不能达到所适用的ANSI标准。

然而，氢气易于挥发，且极其危险。火灾和爆炸危险使得有必要寻找一种替代的扩散剂或填充气体。此前使用氦作为填充气体的制冷器，例如，酒店迷你制冷器，适用的环境温度较低(即32℃(90°F)或更低)。此类应用的名义额定环境温度为25℃(77°F)。然而，适用于RV气体吸收式制冷冷却系统的ANSI标准要求在环境温度43℃(110°F)下满足下列指标：1.制冷器室(refrigerator compartment)被冷却到至少6℃(43°F)的温度；2.冷冻室(freezercompartment)被冷却到至少-9℃(15°F)的温度。

本发明克服了被认为是在正常大小的制冷器中使用氦气作为扩散剂的障碍，并得到了满足所适用的ANSI标准的制冷器，换言之，本发明的充氦的系统提供了给大型制冷器所需的冷冻/制冷温度，而这些大型制冷器运行的环境温度是不受控制的。

发明内容

与现有技术相关联的缺陷已经被本发明中使用氦作为填充气体的RV制冷冷却系统所克服。新系统适用于一种类型的制冷器，其依靠重力来将流体在一个封闭的流体系统中移动，以用于在氨水溶液和扩散或填充气体之间进行热交换。该制冷器具有冷冻蒸发器，其包括冷冻器箱，蒸发器柜，该蒸发器柜包括制冷器箱、冷冻器，和蒸发器柜下游的吸收器容器，以及吸收器容器下游的热交换器。

该新型制冷器包括扩散吸收式制冷组件，其使用氦作为扩散气体。该制冷组件包括冷凝器、蒸发器、液氨管和气体热交换器。

在本发明的一个方面，液氨管可包括具有进口的第一垂直剖面以及第一垂直剖面下游的第二垂直剖面。该制冷器可包括限定第一立体区域的冷冻器箱以及限定第二立体区域的制冷器箱。

在本发明的另一方面，第一和第二立体区域的总容量可能等于或大于6立方英尺，使得该组件能够在43℃(110°F)的环境温度下，将制冷器箱冷却至6℃(43°F)，并将冷冻器箱冷却至-9℃(15°F)。

在本发明的又一个方面，该热交换器包括内管和外管，该内管具有外表面，该外管具有内表面，该外表面和内表面分别被成形以增加相应表面的表面面积。

本发明的一个目的是提供一种使用氦而非氢作为扩散气体的扩散吸收式制冷组件的新型制冷器，因此如果系统破裂或气体泄漏，该制冷器仍是安全的。迄今为止，在43℃(110°F)的环境温度下，充氦的制冷器一直未能冷却八(8)立方英尺，确切来说，将该容量的制冷器箱冷却至6℃(45°F)，并将该容量的冷冻器箱冷却至-9℃(15°F)。换言之，该新型制冷器能满足ANSI标准，在所处的环境不受温度控制时冷却更大容量的制冷器。依据下文的描述，本发明的目的和优势将非常明显。

附图说明

通过查看本发明附图可以获知本发明，包括其结构和运行的详细信息，其中：

图1系本发明一台制冷器的等距视图，展示其冷冻器箱和制冷器箱；

图2系一个典型现有技术的吸收系统的示意图；

图3系本发明的扩散吸收式制冷组件的示意图；

图4系本发明一个实施例的热交换器的局部剖面等距视图；

图4A系本发明的热交换器内管外表面的放大图；

图4B是本发明的热交换器外管内表面的放大图。

具体实施方式

本发明涉及制冷器10，其具有使用氦而非氢作为扩散气体的扩散吸收式制冷组件20。如图3所示，该制冷组件包括冷凝器22、蒸发器(冷冻器24、柜体26)、液氨管25以及气体热交换器27。该液氨管包括具有进口31的第一垂直剖面30，第一垂直剖面30下游的第二垂直剖面32，以及第二垂直剖面下游的中间部分34。

第二垂直剖面32并不与热交换器27相邻。第二垂直剖面和热交换器中流动的可流动流体之间不进行热交换。此外，中间部分34与热交换器27相邻，因此在中间部分与热交换器中流动的可流动的流体之间进行热交换。

参考图1，该制冷器10具有限定第一立体区域的冷冻器箱12和限定第二立体区域的制冷器箱14。在一个实施例中，第一和第二立体区域的总容量约等于六(6)立方英尺。在一个更优选的实施例中，第一和第二立体区域的总容量约等于八(8)立方英尺。

参考图2，接下来对一个典型吸收系统的功能进行说明。浓溶液离开吸收器容器210，通过液体热交换器212，并到达泵管214的底部。热源(气体或电)216导致该溶液的温度上升。温度的上升导致氨气和一些水蒸汽从溶液中被排除出去并形成气泡，该气泡推动液体柱(columns ofliquid)在泵管中升高。液体通过整流器218向下滑落，在该整流器218处温度升高导致额外的氨蒸气被释放。剩余液体现已成为稀氨水溶液，并且其流过液体热交换器212的外壳，在该位置，液体将其剩余热量转移至浓溶液，并且以降低的温度进入吸收器盘管220的顶部。

氨气/水蒸汽通过水分离器222，其降低的温度使水蒸汽液化并融入沸腾器(boiler)224的稀溶液中。氨蒸气进入冷凝器226，在其中氨蒸汽冷凝成热的液氨。液氨进入冷冻器228和蒸发器柜230的旋管，并润湿这些管的内表面。

由于稀气体通过蒸发器管的湿表面，液氨蒸发混入氢气中，从而形成约-20°F的初始制冷温度。氢气和氨气混合气体的重量大于上述稀气体的重量。因此，该混合气体通过气体热交换器进入吸收器容器210的顶部。从这点开始，混合气体进入吸收器盘管的底部。

随着混合气体通过吸收器向上攀升，其接触进入吸收器顶部的稀溶液。随着稀溶液通过吸收器下落，其吸收氨/氢混合气体中的氨。相对较纯的氢气通过氢回路进入蒸发器，而浓溶液现已下落至吸收器导管的底部，在该位置再次开始整个循环。

参考图3，浓氨水溶液离开吸收器容器40，通过液体热交换器到达泵管的底部。热源(气体或电)44导致该溶液的温度上升。温度的上升导致氨和一些水蒸汽从溶液中被排除出去并形成气泡，该气泡推动液体柱在泵管中升高。液体通过整流器46向下滑落，在该整流器处，温度升高导致额外的氨蒸气被释放。剩余液体现已成为稀氨水溶液，并流过液体热交换器42的外壳，在该位置，剩余液体将其剩余热量转移至浓溶液，并且以降低的温度进入吸收器盘管的顶部。

氨气/水蒸汽通过水分离器48，其降低后的温度使水蒸汽液化并进入沸腾器50的稀溶液中。氨蒸气进入冷凝器22，在其中氨蒸汽冷凝成热的液氨。液氨进入冷冻器24和蒸发器柜26的旋管，并润湿这些管的内表面。参考图4、4A和4B，本申请人设备中增大的管容量使其能承载氦气相对于氢气所增加的重量。适用于氢气的较小的热交换管限制了较大的氦分子。

此外，第二热交换器60介于冷冻器24和蒸发器柜26之间。在一个实施例中，该新热交换器导管部分60包括具有外表面62的第一管61，以及具有内表面64的第二管63。该新热交换器导管部分60“沿流向地”连接入总体吸收系统。第一管61的外径小于所述第二管63的内径，因此第一管能被放入第二管中，以限定具有横截面和长度的空间。申请人已经发现，为满足ANSI的RV制冷标准(即在43℃(110°F)的环境温度下，将制冷器箱冷却至6℃(45°F)，冷冻器箱冷却至-9℃(15°F))，若要使用氦气为扩散气体，所述管的内径必须进行实质性修改。

因此，在一个实施例中，外管内表面和与内管外表面间横截面的面积约为200平方毫米。在另一实施例中，内管的外径被增加，从而将内外管之间横截面面积减少了百分之二十(20％)。在更优选的实施例中，内管61的外径介于约14毫米和16毫米之间，外管63的外径介于约25和27毫米之间，但是，也可获得其他内外管直径的组合，以起到补偿较大氦分子的作用。因此，按其他管尺寸成比例地特别设置新系统的蒸发器管，以使得较大的气态氦分子能有效地代替氢气作为扩散气体。

该组件20因此能够在43℃(110°F)的环境温度下，将制冷器箱冷却至6℃(45°F)，将冷冻器箱冷却至-9℃(15°F)。该组件能满足ANSI标准。

外表面62和内表面64分别被优选地成形以增加其面积。如图4A和4B的示例，其形状可以被设计为锯齿形(serrated shaped)。本领域技术人员能理解可以在表面形成多种形状，以增加其表面积。翅片(fin)可能是另一个设想的示例形状。

如图4A和4B图所示，成形的管的外表面增加了暴露的表面积。随着稀气体通过蒸发器管的湿表面，液氨蒸发融入氦气中。随着氨气继续蒸发融入氦气中，氨气的分压继续缓慢地增加。随着氨气压力的增加，蒸发温度也随之上升。

位于制冷器箱和冷冻器箱之间的新系统的新热交换器导管部分60在液氨进入冷冻器箱的蒸发器前预冷却液氨。这可以防止热的液氨将热能注入蒸发器的最冷部分，并有助于降低蒸发器内的温度，从而提高了整体的散热性能。

随着氨气继续蒸发融入氦气，氨气的分压继续缓慢地增加。随着氨气压力的增加，蒸发温度也随之上升。氨气分压的增加提高了稳定地向下通过蒸发器的蒸发温度。氦气和氨气混合气体的重量大于稀气体的重量。因此，该混合气体通过气体热交换器进入吸收器的顶部。从这点开始，混合气体进入吸收器盘管的底部。

随着混合气体通过吸收器向上攀升，其接触进入吸收器顶部的稀溶液。随着稀溶液通过吸收器下落，其吸收氨/氦混合气体中的氨气。相对较纯的氨气通过氨回路进入蒸发器，浓溶液现已下落至吸收器导管的底部，在该处再次开始整个循环。

RV制冷应用中的新型充氦的冷却系统的最显著优势在于提高了制冷器10的安全性。如果封闭的流体系统被破坏，充氢的吸收系统可能造成严重的火灾或爆炸。

为了促进对本发明原理的理解，本说明书描述了具体的实施例。但是应该能够理解的是本说明书是描述性的而非限于其文字描述，且没有限制本发明范围的目的。本申请所描述的组件、元件、流程或设备的任何修改和进一步改进，以及落入本申请所描述发明原理之内的所有进一步应用均属于本发明的保护范围，如本发明领域技术人员通常能领会的。

Claims (16)

1.一种制冷器，具有使用氦气作为扩散气体的扩散吸收式制冷组件，所述制冷组件包括冷凝器、蒸发器、液氨管以及气体热交换器，其中所述液氨管包括具有进口的第一垂直剖面及所述第一垂直剖面下游的第二垂直剖面。

2.根据权利要求1所述的制冷器，其中，所述液氨管的所述第二垂直剖面并不与所述热交换器相邻，其中，在所述第二垂直剖面和所述热交换器中流动的可流动流体之间不进行热交换。

3.如权利要求1所述的制冷器，其中，所述液氨管还包括在所述第二垂直剖面下游的中间部分，所述中间部分与所述热交换器相邻，其中，在所述中间部分与所述热交换器中流动的可流动流体之间进行热交换。

4.如权利要求3所述的制冷器，其中，所述液氨管还包括在所述中间部分上游的冷冻器部分，所述冷冻器部分与所述热交换器相邻，其中，在所述冷冻器部分与所述热交换器中流动的可流动流体之间进行热交换。

5.如权利要求4所述的制冷器，其中，所述液氨管的所述第二垂直剖面并不与所述热交换器相邻，其中，在所述第二垂直剖面和所述热交换器中流动的可流动流体之间不进行热交换。

6.一种制冷器，具有使用氦气作为扩散气体的扩散吸收式制冷组件，所述制冷组件包括冷凝器、蒸发器、液氨管以及气体热交换器，其中所述液氨管包括具有进口的第一垂直剖面及所述第一垂直剖面下游的第二垂直剖面；所述制冷器具有限定第一立体区域的冷冻器箱以及限定第二立体区域的制冷器箱，所述第一和所述第二立体区域的总容量等于或大于6立方英尺，其中所述组件能够在43℃(110°F)的环境温度下，将所述制冷器箱冷却至6℃(43°F)，并将所述冷冻器箱冷却至-9℃(15°F)。

7.如权利要求6所述的制冷器，其中，所述热交换器包括内管和外管，所述内管具有外表面，所述外管具有内表面，所述外表面和内表面分别被成形以增加相应表面的表面面积。

8.一种制冷器，具有使用氦气作为扩散气体的扩散吸收式制冷组件，所述制冷组件包括冷凝器、蒸发器、液氨管以及气体热交换器，其中所述液氨管包括具有进口的第一垂直剖面及所述第一垂直剖面下游的第二垂直剖面；所述制冷器具有限定了第一立体区域的冷冻器箱以及限定了第二立体区域的制冷器箱，所述第一和所述第二立体区域的总容量等于或大于6立方英尺，其中，所述组件能够在43℃(110°F)的环境温度下，将制冷器箱冷却至6℃(43°F)，并将冷冻器箱冷却至-9℃(15°F)；其中，所述液氨管的所述第二垂直剖面并不与所述热交换器相邻，其中，在所述第二垂直剖面和所述热交换器中流动的可流动流体之间不进行热交换。

9.如权利要求8所述的制冷器，其中，所述热交换器包括内管和外管，所述内管具有外表面，所述外管具有内表面，所述外表面和内表面分别带有锯齿状突起以增加相应表面的表面面积。

10.如权利要求9所述的制冷器，其中所述液氨管还包括在所述第二垂直剖面下游的中间部分，所述中间部分与所述热交换器相邻，其中在所述中间部分与所述热交换器中流动的可流动流体之间进行热交换。

11.如权利要求10所述的制冷器，其中所述液氨管的所述第二垂直剖面并不与所述热交换器相邻，其中，在所述第二垂直剖面和所述热交换器中流动的可流动流体之间不进行热交换。

12.一种制冷器，具有使用氦气作为扩散气体的扩散吸收式制冷组件，所述制冷组件包括冷凝器、蒸发器、液氨管以及气体热交换器，其中所述气体热交换器包括外径介于约14毫米和约16毫米的内管和外径介于约25和27毫米的外管；所述制冷器具有限定第一立体区域的冷冻器箱以及限定第二立体区域的制冷器箱，所述第一和所述第二立体区域的总容量等于或大于6立方英尺，其中所述组件能够在43℃(110°F)的环境温度下，将制冷器箱冷却至6℃(43°F)，并将冷冻器箱冷却至-9℃(15°F)。

13.如权利要求12所述的制冷器，其中，所述液氨管包括具有进口的第一垂直剖面及所述第一垂直剖面下游的第二垂直剖面，所述第二垂直剖面并不与所述热交换器相邻，其中，在所述第二垂直剖面和所述热交换器中流动的可流动流体之间不进行热交换。

14.如权利要求13所述的制冷器，其中，所述液氨管还包括在所述第二垂直剖面下游的中间部分，所述中间部分与所述热交换器相邻，其中在所述中间部分与所述热交换器中流动的可流动流体之间进行热交换。

15.如权利要求14所述的制冷器，其中，所述液氨管还包括在所述中间部分上游的冷冻器部分，所述冷冻器部分与所述热交换器相邻，其中在所述冷冻器部分与所述热交换器中流动的可流动流体之间进行热交换。

16.如权利要求15所述的制冷器，其中，所述热交换器包括内管和外管，所述内管具有外表面，所述外管具有内表面，所述外表面和内表面分别带有锯齿状突起以增加相应表面的表面面积。

Images