CN110319613A - 单级二氧化碳制冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单级二氧化碳制冷系统，包括顺次相连的蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀，冷凝器与膨胀阀之间设置有储液器，压缩机与冷凝器之间设置有第一抽吸组件，第一抽吸组件上设置有第一接口、第二接口和第三接口，第一接口与冷凝器相连通，第二接口与储液器相连通，第三接口与压缩机相连通，压缩机排出的二氧化碳气体经过第一抽吸组件进入冷凝器，并在第一抽吸组件内产生吸气压力，以自动抽吸储液器中的二氧化碳气体。本发明的单级二氧化碳制冷系统，对传统二氧化碳制冷系统的整体结构进行了简化和优化，同时大幅度的提高了制冷效率，实现了二氧化碳制冷剂单级循环制冷，且系统运行稳定，方便控制。

Description

单级二氧化碳制冷系统

技术领域

本发明涉及一种制冷系统，尤其涉及一种单级二氧化碳制冷系统。

背景技术

在制冷领域，随着国际社会对节能减排、环境保护方面的关注度不断加强，氟利昂制冷剂的淘汰步伐也随之加快，二氧化碳作为一种高效、节能、环保的制冷剂，具有广泛的应用前景和可观的经济价值。但由于二氧化碳的固有特性，在工作温度高于临界温度时，无论施加多高的压力，均不能使二氧化碳液化，这大大降低了二氧化碳制冷系统的制冷效率，限制了二氧化碳制冷系统的推广和应用。

为了提高二氧化碳制冷系统的制冷效率，现有的改进方法为，采用二氧化碳双级制冷系统、将二氧化碳作为低温级的复叠制冷系统以及将二氧化碳作为载冷剂的制冷系统。这些改进虽然能够在一定程度上提升二氧化碳制冷系统的整体能效表现，但系统结构复杂，成本高，不易调试和维护；且在复叠系统和载冷系统中，还需要加入其他制冷剂(如氟利昂)才能够维持系统正常运行，既无法充分利用二氧化碳制冷，也不利于环境保护。

发明内容

本发明提供了一种单级二氧化碳制冷系统，设置有抽吸组件和闪蒸式换热组件，能够促进二氧化碳气体冷凝，同时使二氧化碳液体具有较大的过冷度，以此提升制冷系统的制冷效率。具体技术方案如下：

一种单级二氧化碳制冷系统，包括顺次相连的蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀，冷凝器与膨胀阀之间设置有储液器，压缩机与冷凝器之间设置有第一抽吸组件，第一抽吸组件上设置有第一接口、第二接口和第三接口，第一接口与冷凝器相连通，第二接口与储液器相连通，第三接口与压缩机相连通，压缩机排出的二氧化碳气体经过第一抽吸组件进入冷凝器，并在第一抽吸组件内产生吸气压力，以自动抽吸储液器中的二氧化碳气体。

进一步，第一抽吸组件包括顺次相连的收缩段、喉道和扩散段，第一抽吸组件的第三接口与收缩段连通设置，第一接口与扩散段连通设置，第二接口与喉道连通设置。

进一步，在冷凝器与储液器之间设置有压差阀，压差阀包括入口和出口，压差阀的入口与冷凝器相连通，出口与储液器相连通。

进一步，压差阀的内部设置有垫片，垫片上连接有弹簧，垫片可随弹簧的压缩或释放往复移动，以使压差阀的入口和出口连通或阻断。

进一步，包括闪蒸式封闭换热器，闪蒸式封闭换热器包括封闭壳体，封闭壳体内形成有低温环境，冷凝器设置在闪蒸式封闭换热器的封闭壳体内。

进一步，封闭壳体的一侧设置有水雾化装置，另一侧设置有负压风机，冷凝器位于水雾化装置和负压风机之间，负压风机与冷凝器之间形成有第一静压腔，水雾化装置与冷凝器之间形成有第二静压腔，负压风机使第二静压腔内形成负压环境，水雾化装置将雾化水喷射到第二静压腔内，以使雾化水蒸发为蒸汽。

进一步，负压风机的排风量大于封闭壳体内雾化水的蒸发量。

进一步，第二静压腔内的压力低于环境大气压20Pa以上。

进一步，第二静压腔内设置有调压装置，调压装置可促进封闭壳体内蒸汽的流动。

进一步，冷凝器设置在地下。

进一步，压缩机与蒸发器之间设置有低压循环桶，低压循环桶与储液器相连通，低压循环桶与储液器之间设置有第二抽吸组件，低压循环桶中的二氧化碳液体经第二抽吸组件抽吸进入储液器，低压循环桶中的二氧化碳气体进入压缩机。

进一步，第二抽吸组件上设置有第一端口、第二端口和第三端口，第一端口与低压循环桶相连通，第二端口与储液器相连通，第三端口与冷凝器相连通，冷凝器排出的二氧化碳制冷剂经过第二抽吸组件进入储液器，并在第二抽吸组件内产生吸附力，以使第二抽吸组件自动抽吸低压循环桶中的二氧化碳液体。

进一步，第二抽吸组件包括顺次相连的收缩段、喉道和扩散段，第二抽吸组件的第三端口与收缩段连通设置，第二抽吸组件的第二端口与扩散段连通设置，第二抽吸组件的第一端口与喉道连通设置。

进一步，低压循环桶内设置有液位计，低压循环桶与第二抽吸组件之间设置有电磁阀，液位计可测量低压循环桶内的二氧化碳液体的液面高度，以控制电磁阀的打开或关闭。

进一步，第一抽吸组件为文丘里管。

进一步，第二抽吸组件为文丘里管。

本发明的单级二氧化碳制冷系统，对传统二氧化碳制冷系统的整体结构进行了简化和优化，同时大幅度的提高了制冷效率，实现了二氧化碳制冷剂单级循环制冷，且系统运行稳定，方便控制。

附图说明

图1为本发明的单级二氧化碳制冷系统的实施例一的示意图。

图2为本发明中的文丘里管的剖视图。

图3为本发明的单级二氧化碳制冷系统的实施例二的示意图。

图4为本发明的单级二氧化碳制冷系统的实施例三的示意图。

图5为本发明中的闪蒸式换热组件的方案一的结构示意图。

图6为本发明中的闪蒸式换热组件的方案二的结构示意图。

图7为本发明中的闪蒸式换热组件的方案三的结构示意图。

图8为本发明中的闪蒸式换热组件的方案四的结构示意图。

图9为本发明中的闪蒸式换热组件的方案五的结构示意图。

图10为本发明中的闪蒸式换热组件的方案六的结构示意图。

图11为本发明中的闪蒸式换热组件的方案六的结构示意图。

图12为本发明的单级二氧化碳制冷系统的实施例四的示意图。

图13为本发明中的压差阀的剖视图。

具体实施方式

为了更好的了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的单级二氧化碳制冷系统做进一步详细的描述。

实施例一

如图1所示，在实施例一中，本发明的单级二氧化碳制冷系统包括顺次相连接的蒸发器11、压缩机12、冷凝器13、储液器15和膨胀阀17，其中，低温低压的液态二氧化碳在蒸发器11中相变为低温低压的气态二氧化碳，释放冷量制冷；

压缩机12不断将蒸发器11中的二氧化碳气体抽出，使蒸发器11内的环境维持在低温低压状态，以促进液态二氧化碳的持续气化制冷，同时，压缩机12对抽出的二氧化碳气体进行压缩，使二氧化碳气体的温度和压力大幅度升高，以便于提高与冷凝器13的热交换效率；

高温高压的二氧化碳气体进入冷凝器13，并在冷凝器13中冷却降温，一部分气态二氧化碳冷凝为液体，形成低温高压的二氧化碳气液混合物。二氧化碳气液混合物进入储液器15中，并在储液器15中完成气液分离。

储液器15与蒸发器11通过膨胀阀17相连通，膨胀阀17可降低储液器中二氧化碳制冷剂的压力，使降压后的二氧化碳制冷剂进入蒸发器11中气化制冷。通过调节膨胀阀17，还可控制流入蒸发器11中的二氧化碳制冷剂的流量。由此，在本发明的单级二氧化碳制冷系统中，可通过二氧化碳制冷剂的气液相变实现制冷效果。

进一步，在冷凝器13与储液器15之间还设置有压差阀14，冷凝器13中流出的二氧化碳气液混合物经过压差阀14进入储液器15中。冷凝器13内的冷凝压力需要保持在一个合适的范围内(通常为低于120Kg/cm²，高于蒸发压力30～40Kg/cm²)，冷凝压力过高，会影响系统的安全运行，冷凝压力过低，会影响系统的正常运行。压差阀14能够调节冷凝器13内的冷凝压力，使冷凝压力保持在合适的范围内，保证系统的正常运行。此外，压差阀14还具有一定的节流作用，节流作用能够进一步促进流经的二氧化碳气体液化，增加储液器15中液态二氧化碳的量。

进一步，为了提高系统的制冷效率，在冷凝器13的前端还设置有第一抽吸组件16，第一抽吸组件16的第一接口与冷凝器13的进气端相连通，第一抽吸组件16的第二接口与储液器15相连通，第一抽吸组件16可将储液器15中存储的二氧化碳气体抽出，并输送回冷凝器13中进行再次冷凝，以提高二氧化碳气体的冷凝量，提高系统的制冷效率。

进一步，第一抽吸组件16还包括第三接口，第三接口与压缩机12的出气端相连通，被压缩机压缩后的二氧化碳气体先进入第一抽吸组件16，再与被抽吸至第一抽吸组件16中的储液器15中的二氧化碳气体一起进入冷凝器13中进行冷却降温。

优选地，第一抽吸组件16为文丘里管，如图2所示，文丘里管整体为中空的管状结构，一端为进气口1，另一端为出气口7，其中，进气口1与压缩机12的出气端相连通，出气口7与冷凝器13的进气端相连通，经压缩机12压缩后的二氧化碳气体先通过文丘里管，再流入冷凝器13中进行冷却降温。

具体的，如图2所示，文丘里管包括入口段2，入口段2为中空的短圆柱形，入口段2的开放的一端为进气口1；入口段2的另一端与收缩段3相连通，收缩段3为中空的锥形管，与入口段2相衔接的一端较粗，远离入口段2的一端逐渐收缩变窄；收缩段3的后部连接有喉道4，喉道4为中空的细圆柱形，喉道4的直径小于入口段2的直径；喉道4的后部连接有扩散段5，扩散段5为中空的锥形管，与喉道4相衔接的一端较窄，远离喉道4的一端逐渐扩大变粗；扩散段5的后部连接有出口段6，出口段6与入口段2结构近似，为中空的短圆柱形，出口段6的开放的一端为出气口7。

另外，在文丘里管的喉道4处还设置有吸气段8，吸气段8的一端与喉道4相连通，另一端通过管路与储液器15相连通，在制冷系统运行过程中，文丘里管可自动抽吸储液器15中的二氧化碳气体，使储液器15中的二氧化碳气体再次进入冷凝器13进行二次冷凝，以转化成更多的二氧化碳液体，存储在储液器15中。

结合以上对文丘里管的结构的描述，对文丘里管的工作原理进行详细说明。

文丘里管是基于文丘里效应的一种应用形式，文丘里效应是指，受限流动在通过缩小的过流断面时，流体出现流速增大的现象，其流速与过流断面成反比。通俗地讲，这种效应是指，在高速流动的流体附近会产生低压，从而产生吸附作用。文丘里管就是通过把气流由粗变细，加快气体流速；高速流动的气体附近产生低压，会使文丘里管的内部形成负压环境，负压环境会对相连通的外部环境产生一定的吸附作用。

具体的，如图1和图2所示，经压缩机12压缩后的二氧化碳气体在进入冷凝器13前，会先经过文丘里管，二氧化碳气体首先由文丘里管的进气口1进入入口段2，在通过收缩段3时，由于管道的直径逐渐变小，使气流由粗变细，因此气体的流动速度逐渐加快。二氧化碳气体在进入喉道4时流速达到最高，此时基于文丘里效应，喉道4内的二氧化碳气体的附近会产生低压，使喉道4内形成负压环境。喉道4与储液器15内存储二氧化碳气体的空间相连通，在喉道4内负压环境的吸附作用下，储液器15内的二氧化碳气体会被抽吸至文丘里管中，与压缩机12压缩后的二氧化碳气体一起进入文丘里管的扩散段5内，以减小气体的流速。由于压缩机12压缩后的二氧化碳气体连续不断地通过文丘里管，因此储液器15中的二氧化碳气体也会连续不断地流入文丘里管内，与压缩机12压缩后的二氧化碳气体一起进入冷凝器13中进行换热冷凝。

此外，还需要特别说明的是，上述文丘里管(即第一抽吸组件16)在工作过程中不需要提供额外的动力，即无需添加如电机一类的动力组件，完全依靠二氧化碳自身物性即可实现循环工作。二氧化碳本身具有临界压力高(处于气态状态时的压力较高)、临界温度低(在较低温度下更易保持在气态状态)的特性，与其它制冷剂相比，二氧化碳制冷剂在文丘里管内的流速更高，产生的低压更低，使文丘里管内的负压环境具有更强的吸附效果，因此，二氧化碳制冷剂的自身物性能够维持和促进第一抽吸组件16的快速高效运行。

基于上述第一抽吸组件16的循环工作，储液器15中的二氧化碳气体可连续不断地重复进入冷凝器13中换热冷凝，以提高二氧化碳制冷剂的液化量，使储液器15中得到更多的液态二氧化碳，进而提高制冷系统的制冷效率。

同时，由于储液器15中的二氧化碳气体被不断抽出，会导致储液器15内的压力变小，此时，会有部分液态二氧化碳闪发为气体，以维持储液器15内整体环境压力的平衡。这部分液态二氧化碳在闪发为气体的过程中会吸收热量，使储液器15中剩余的液态二氧化碳温度降低，即增大了剩余液态二氧化碳的过冷度，进一步提高了制冷系统的制冷效率。

同时，由于储液器15内的闪发二氧化碳气体为低温气体(约13℃)，在文丘里管内与压缩机压缩后的高温二氧化碳气体(约90℃)混合时，会使高温二氧化碳气体的温度降低，也就是说，在高温二氧化碳气体进入冷凝器13内冷凝之前，先进行了一次降温，降温后的气体再进入冷凝器13中进行冷却，能够提高冷凝器13的冷凝效率，进一步促进二氧化碳气体冷凝液化。

综上，由文丘里管构成的第一抽吸组件16使本发明的单级二氧化碳制冷系统具有以下优点：

1、通过将文丘里效应与二氧化碳的自身物性相结合，在不增加动力组件、不影响压缩机效率的前提下，使储液器中的气态二氧化碳重复冷凝，提高系统制冷效率；

2、增大储液器中液态二氧化碳的过冷度，提高系统制冷效率；

3、与现有二氧化碳制冷系统相比，结构更加简单，运行效果稳定，能够实现二氧化碳单级循环制冷。

实施例二

由于二氧化碳的临界温度较低，当换热器的工作环境温度过高时，会严重影响气态二氧化碳的冷凝效果，甚至无法冷凝，使系统的制冷效率降低。

如图3所示，在实施例二中，本发明的单级二氧化碳制冷系统包括顺次连接的蒸发器21、压缩机22、冷凝器23、储液器25和膨胀阀27，冷凝器23的前端设置有第一抽吸组件26，第一抽吸组件26一端与冷凝器23的进气端相连通，另一端与储液器25相连通。其中，第一抽吸组件26优选为文丘里管，文丘里管的进气口1与压缩机22的出气端相连通，文丘里管的出气口7与冷凝器23的进气端相连通，文丘里管的喉道4与储液器25内存储二氧化碳气体的空间相连通。

与实施例一不同的是，在实施例二中，冷凝器23设置在地下。具体的，冷凝器23包括地埋管(图中未示出)，地埋管可为多根并联设置的直线型管体结构，也可为多根并联设置的U型管体结构，或多根并联设置的螺旋型管体结构。地埋管设置在地下，优选地，地埋管沿垂直方向设置。

蒸发器21中产生的低温低压二氧化碳气体，经压缩机22吸入后，压缩成高温高压的二氧化碳气体，排入到地埋管中；地埋管中的二氧化碳气体与地下周围土壤或地下水之间进行热交换后，冷凝为高压的二氧化碳液体，经压差阀24降压后，进入储液器25中暂存，以再次进入蒸发器21中蒸发制冷。

由于地下较深层的温度稳定保持在二氧化碳的液化临界温度以下，因此，将冷凝器23设置在地面以下，能够保证冷凝器23的工作环境温度低于二氧化碳的液化临界温度，从而解决因工作环境温度过高导致的二氧化碳制冷剂难以液化的问题，提高系统的制冷效率。

实施例三

与实施例二不同的是，如图4所示，实施例三中包括闪蒸式封闭换热器33，冷凝器设置在闪蒸式封闭换热器33内部。闪蒸式封闭换热器33包括封闭壳体，封闭壳体内的环境能够保持在稳定的低温状态，温度低于二氧化碳的液化临界温度。冷凝器设置在封闭壳体内，经压缩机32压缩后的高温高压二氧化碳气体在通过冷凝器的过程中，与封闭壳体内的低温环境发生热交换，冷凝为液态二氧化碳，流经压差阀34后进入储液器35中进行气液分离，分离后的液态二氧化碳通过膨胀阀37降压后，再次进入蒸发器31中蒸发制冷。

具体的，闪蒸式封闭换热器的封闭壳体的一侧设置有水雾化装置，另一侧设置有负压风机，封闭壳体内部设置有冷凝器，冷凝器位于水雾化装置和负压风机之间，负压风机与冷凝器之间形成有第一静压腔，水雾化装置与冷凝器之间形成有第二静压腔，负压风机使第二静压腔内形成负压环境，水雾化装置将雾化水喷射到第二静压腔内，以使雾化水蒸发为蒸汽。

闪蒸式封闭换热器的基本冷却原理为：在封闭环境中，促进水由液态蒸发为气态，释放冷量。其中，促进水蒸发的因素主要有：1)水的表面积越大，越利于水的蒸发；2)所处环境的负压值越大，水分子之间越容易相互脱离，形成蒸汽；3)温度越高，水的蒸发越快。

基于上述冷却原理，闪蒸式封闭换热器促进水由液态蒸发为气态的具体方案有：

第一，采用水雾化装置将水雾化为小雾滴，雾滴状的水表面积大大增加，能够加速蒸发，同时，雾滴状的水运动活跃，能够在封闭壳体内四散飘动，加速换热蒸发。

第二，封闭壳体与负压风机相配合，使封闭壳体内的第二静压腔和第一静压腔始终保持负压环境，使第二静压腔内的压力低于环境大气压20Pa以上，此时原本已经雾化为小雾滴的水，其表面的水分子更容易脱离雾滴本体，转变为蒸汽。这里的环境大气压是指，闪蒸式封闭换热器所处的工作环境的大气压值。

第三，流入冷凝器内的二氧化碳制冷剂会在封闭壳体内吸收冷量放出热量，完成换热，此时冷凝器会产生辐射热，因此当雾滴靠近冷凝器时会在辐射热的作用下加速蒸发，进一步吸收二氧化碳制冷剂的热量，使其降温。

此外，未完全蒸发为蒸汽的小雾滴在经过冷凝器时，还可以通过直接与冷凝器接触的方式进行热交换，达到辅助降温制冷的作用。由于水雾化成雾滴后体积变小，因此更容易四散飘动，这就使雾滴的流动性加快，能够快速与冷凝器完成热交换；且小体积的雾滴在直接接触换热的过程中又有大部分吸热蒸发为蒸汽，大大提高了制冷效率。

需要特别说明的是，与现有的风冷式换热器原理不同，闪蒸式封闭换热器采用的壳体是封闭式的，封闭壳体是为了抑制室外风进入壳体内，防止壳体内进入过多的室外风，影响封闭壳体内雾化水的蒸发。而现有的风冷式换热器恰恰相反，是通过风流经风冷式换热器中的冷凝器实现换热制冷，因此进入设备壳体内的风量越大，风冷式换热器的制冷效果越好。

需要补充说明的是，上述的封闭壳体不等同于完全密封的壳体，在实际生产中，板材与板材之间或板材与各组成部件之间的接缝处可能存在缝隙，当负压风机向外排风时，外界环境中的空气可能会通过缝隙进入封闭壳体内。这种少量的进气不会影响封闭壳体内整体的负压环境，通过调节负压风机的转速或调压装置，能够使封闭壳体内的负压环境处于一个相对稳定的压力值，因此不会对雾化水的蒸发效果产生影响，即不会影响闪蒸式封闭换热器的制冷效果。

闪蒸式封闭换热器通过在封闭的负压环境中促进雾化水的蒸发，使封闭壳体内的整体温度降低，以达到二氧化碳的液化临界温度以下，促进二氧化碳气体液化，提高系统的制冷效率。

具体的，如图5所示的闪蒸式封闭换热器的方案一，包括封闭壳体101，封闭壳体101呈矩形，由板件结构围成，内部形成有容纳腔室。

容纳腔室的底部设置有水雾化装置102，容纳腔室的顶部设置有负压风机103，容纳腔室的中部设置有冷凝器104，冷凝器104位于水雾化装置102和负压风机103之间。优选地，冷凝器104为盘管式冷凝器，二氧化碳制冷剂通过该盘管式冷凝器进行降温冷凝。

冷凝器104与水雾化装置102之间形成有第二静压腔105，冷凝器104与负压风机103之间形成有第一静压腔106，负压风机103持续将封闭壳体101内的气体排出封闭壳体101外，使第二静压腔105和第一静压腔106内形成均匀稳定的负压环境。优选的是，负压风机103的排风量大于封闭壳体101内的雾化水的蒸发量，一方面可充分排出封闭壳体内的蒸汽，以提高雾化水的蒸发效率，另一方面可保持封闭壳体内的负压环境。

水雾化装置102将产生的雾化水喷射到第二静压腔105内，雾化水在第二静压腔105的负压环境中快速蒸发，由水雾相变为蒸汽，吸收热量，使封闭壳体101内的环境温度降低；冷凝器104内的二氧化碳制冷剂在通过封闭壳体101内的低温环境时吸收冷量，从而使二氧化碳制冷剂降低温度。

由于第一静压腔106内也为负压环境，因此在第二静压腔105内蒸发后的蒸汽会穿过冷凝器104进入第一静压腔106，再通过负压风机103排出封闭壳体101外。由此，第二静压腔105中的雾化水不断蒸发为蒸汽，释放冷量；蒸汽再不断的通过负压风机103排出封闭壳体101外，完成制冷。

进一步，水雾化装置102包括供水管道，供水管道设置在第二静压腔105的底部，与封闭壳体101外的水箱或水管相连通，持续向封闭壳体101内供水；供水管道可为单条直线形管路，也可为两条或多条管路并排设置，或采用单条管路环绕成盘状设置。供水管道上分散设置有多个高压雾化喷嘴，供水管道中的水可通过高压雾化喷嘴喷出，形成雾状的雾化水，散布在第二静压腔105内。优选地，高压雾化喷嘴均朝向冷凝器104所在方向设置，以便使雾化水更好的喷射向冷凝器104。当然，也可将高压雾化喷嘴替换为超声波雾化器，以形成雾化水。

进一步，第二静压腔105内还设置有调压装置107，调压装置107可促进封闭壳体101内蒸汽及雾化水的流动。具体的，调压装置107包括一根细长的管件，管件靠近水雾化装置102设置；管件的第一端为封闭端，第一端伸入至第二静压腔105内，管件的第二端为开放端，第二端位于封闭壳体101外；管件位于第二静压腔105内的部分，管壁上分散开设有多个出气孔。当闪蒸式封闭换热器工作时，少量的室外空气可通过管件的第二端进入管件内，并通过多个出气孔吹向水雾化装置102，使第二静压腔105内的雾化水及蒸汽加速流动，促进雾化水蒸发及蒸汽的排出。

管件的第二端开放端处设置有密封盖，当不需要促进第二静压腔105内的雾化水及蒸汽流动时，可通过加盖密封盖阻挡空气进入，关闭调压装置107；也可以通过调节密封盖的密封度，控制空气的进入量，进而调节第二静压腔105内雾化水及蒸汽的流动程度。

此外，如图6所示，调压装置也可以为一个或多个风扇，风扇靠近水雾化装置102设置，风扇转动可促进封闭壳体101内蒸汽及雾化水的流动。

需要补充说明的是，基于上述的闪蒸式封闭换热器的基本制冷原理，封闭壳体需要抑制外界自然风进入壳体内部，这与调压装置并不冲突。第一，调压装置虽然能够使外界自然风进入封闭壳体内，但是，这种可进入的风量非常小，与上述的通过壳体板材与板材之间的缝隙进入的自然风相类似，都不会影响设备的正常运行；第二，调压装置设置的目的是，通过微气流的运动促进雾化水及水蒸发后的蒸汽流动，一方面加快蒸汽由第二静压腔向第一静压腔运动，促进蒸汽排出，一方面促进雾化水蒸发。也就是说，通过调压装置进入封闭壳体内的少量自然风本身不能达到冷却冷凝器的效果，这与现有的风冷式换热器有着本质区别。

具体的，如图7所示的闪蒸式封闭换热器的方案二，与方案一不同的是，包括封闭壳体201，封闭壳体201呈矩形，由板件结构围成，内部形成有容纳腔室。容纳腔室的顶部设置有水雾化装置202，在靠近容纳腔室底部的封闭壳体201侧壁上设置有负压风机203，容纳腔室的中部设置有冷凝器，冷凝器位于水雾化装置202和负压风机203之间。

冷凝器与水雾化装置202之间形成有第二静压腔，冷凝器与负压风机203之间形成有第一静压腔，负压风机203持续将封闭壳体201内的气体排出封闭壳体201外，使第二静压腔和第一静压腔内形成均匀稳定的负压环境。

水雾化装置202将产生的雾化水喷射到第二静压腔内，雾化水在第二静压腔的负压环境中快速蒸发，由水雾相变为蒸汽，吸收热量，使封闭壳体201内的环境温度降低；冷凝器内的二氧化碳制冷剂在通过封闭壳体201内的低温环境时吸收冷量，从而使二氧化碳制冷剂降低温度。

第二静压腔内蒸发后的蒸汽会穿过冷凝器进入第一静压腔，再通过负压风机203排出封闭壳体201外；未完全蒸发或未充分雾化为雾滴的水，流经冷凝器后，流至第一静压腔的底部，第一静压腔底部设有水回收管路，汇集在第一静压腔底部的水可通过水回收管路排出第一静压腔外。由此，第二静压腔中的雾化水不断蒸发为蒸汽，释放冷量；蒸汽再不断的通过负压风机203排出封闭壳体201外，完成制冷。

优选地，水回收管路与水雾化装置202相连通，通过水回收管路排出的水回收后可再次经过水雾化装置202进行雾化。

进一步，水雾化装置202包括供水管道，供水管道设置在第二静压腔的顶部，与封闭壳体201外的水箱或水管相连通，持续向封闭壳体201内供水；供水管道上分散设置有多个高压雾化喷嘴，供水管道中的水可通过高压雾化喷嘴喷出，形成雾状的雾化水，散布在第二静压腔内。

具体的，如图8所示的闪蒸式封闭换热器的方案三，与方案一不同的是，封闭壳体301内的冷凝器304包括三组，三组冷凝器304上下间隔排布，每组冷凝器304的下方对应设置有水雾化装置302。封闭壳体301的顶部设置有负压风机303，位于最上方的冷凝器304与封闭壳体301之间形成有第一静压腔306；负压风机303转动可使三组冷凝器304与各自对应的水雾化装置302之间形成负压环境，促进雾化水相变为蒸汽；蒸汽穿过冷凝器304进入第一静压腔306，由负压风机303排出封闭壳体301外。

当然，方案三中的冷凝器304也可设置为上下间隔排布的两组或多组。

具体的，如图9所示的闪蒸式封闭换热器的方案四，与方案一不同的是，封闭壳体401内的冷凝器404呈V字形设置，V字形冷凝器404的V字开口部位朝向封闭壳体401顶部的负压风机403设置。

在靠近V字形冷凝器404两侧的封闭壳体401的内表面上设置有水雾化装置402，在封闭壳体401的底部也设置有水雾化装置402，水雾化装置402与V字形冷凝器404之间形成有第二静压腔405；V字形冷凝器404的中间部位与负压风机403之间形成有第一静压腔406。

负压风机403转动，使封闭壳体401内的第二静压腔405和第一静压腔406形成负压环境，水雾化装置402通过高压雾化喷嘴将雾化水喷射向V字形冷凝器404，雾化水在第二静压腔405内蒸发为蒸汽，蒸汽穿过冷凝器404进入第一静压腔406，通过负压风机403排出封闭壳体401外。

在靠近水雾化装置402的封闭壳体401上还设置有调压装置407，调压装置407包括对称设置在V字形冷凝器404两侧的两个风扇，风扇位于水雾化装置402旁，风扇转动可促进封闭壳体401内蒸汽及雾化水的流动。当然，风扇也可以直接设置在水雾化装置402上，设置数量也可为一个或多个。

风扇可固定设置在封闭壳体401的内侧壁上，完全位于封闭壳体401内部；也可以在封闭壳体401的侧壁上开设小圆孔，将风扇设置在小圆孔内，使少量的外界自然风能够通过风扇进入封闭壳体401内部，促进蒸汽和雾化水的流动。

这种V字形冷凝器404的表面积更大，雾化水的蒸发效率更高，使闪蒸式封闭换热器的整体制冷效果更好。

具体的，如图10和图11所示的闪蒸式封闭换热器的方案五，与方案一不同的是，封闭壳体501整体为圆柱形，封闭壳体501内形成的容纳腔室也呈圆柱形。在容纳腔室的中间设置有冷凝器504，冷凝器504整体为空心的圆筒形。在封闭壳体501的侧壁上设置有水雾化装置502，水雾化装置502包括供水管道，供水管道均匀分散的排布在封闭壳体501的整个侧壁上，供水管道上分散设置有多个高压雾化喷嘴。

水雾化装置502与圆筒形冷凝器504之间形成有第二静压腔505，圆筒形冷凝器504中间的空心结构形成第一静压腔506。封闭壳体501的顶部设置有负压风机503，负压风机503直接与第一静压腔506相连通。

负压风机503转动，使封闭壳体501内的第二静压腔505和第一静压腔506形成负压环境，水雾化装置502通过高压雾化喷嘴将雾化水喷射向圆筒形冷凝器504，雾化水在第二静压腔505内蒸发为蒸汽，蒸汽穿过冷凝器504进入第一静压腔506，通过负压风机503排出封闭壳体501外。

在靠近水雾化装置502的封闭壳体501上还设置有调压装置507，调压装置507包括多个风扇，多个风扇分散设置在封闭壳体501的侧壁内侧，风扇转动可促进封闭壳体501内蒸汽及雾化水的流动。当然，风扇也可以直接设置在水雾化装置502上，设置数量可根据封闭壳体501的大小进行适应性调整。

风扇可固定设置在封闭壳体501的内侧壁上，完全位于封闭壳体501内部；也可以在封闭壳体501的侧壁上开设小圆孔，将风扇设置在小圆孔内，使少量的外界自然风能够通过风扇进入封闭壳体501内部，促进蒸汽和雾化水的流动。

这种圆筒形冷凝器504的表面积更大，且水雾化装置502产生的雾化水环绕在圆筒形冷凝器504的整个表面，使雾化水的蒸发效率更高，进而使闪蒸式封闭换热器的整体制冷效果更好。

上述的闪蒸式封闭换热器通过在封闭的负压环境中促进雾化水的蒸发，使封闭环境内的整体温度降低，不受外界自然风的温度和湿度的影响，为二氧化碳制冷剂制造一个低温工作环境，促进二氧化碳液化，提高系统的制冷效率。

由于上述闪蒸式封闭换热器的冷却效果较好，冷凝器的冷凝效率非常高，因此冷凝器中的冷凝压力会出现过低的情况。此时，设置在闪蒸式封闭换热器33与储液器35之间的压差阀34可起到建立压差、控制冷凝压力的作用。

具体的，如图13所示，压差阀34包括封闭的圆筒形壳体61，壳体61的内部形成有空腔。壳体61的上部设置有入口62，壳体61的侧壁中部设置有出口63，入口62和出口63均与壳体61内部的空腔相连通。壳体61的内部设置有弹簧64，弹簧64的一端与壳体61的底部相连接，另一端与密封垫片65相连接。密封垫片65的形状与壳体61内空腔的截面形状相匹配，密封垫片65可随弹簧64的压缩或释放在壳体61的空腔内往复移动。

压差阀34的入口62与闪蒸式封闭换热器33的出口连通设置，压差阀34的出口63与储液器35连通设置，当闪蒸式封闭换热器33中的冷凝器冷凝压力过低时，则压差阀34入口62一侧的压力较低，此时压差阀34内的密封垫片65和弹簧64受到的阻力小，弹簧64释放，使密封垫片65位于压差阀34的入口62和出口63之间，即压差阀34处于关闭状态。压差阀34关闭时，冷凝器中的二氧化碳制冷剂无法通过压差阀34排出，会使冷凝器中的压力增大，以提高冷凝器中的冷凝压力。

当冷凝器中的压力逐渐升高时，压差阀34中的密封垫片65和弹簧64受到的压力也逐渐增大，此时弹簧64会逐渐被压缩，密封垫片65会逐渐向压差阀34的下部移动。当冷凝器中的压力升高至适宜工作的冷凝压力时(高于蒸发压力30～40Kg/cm²)，密封垫片65移动至压差阀34出口63的下部，使压差阀34的入口62和出口63相连通，此时压差阀34处于打开状态，二氧化碳制冷剂可通过压差阀34的出口63排出，进入储液器35中。

随着二氧化碳制冷剂通过压差阀34排出，冷凝器中的冷凝压力会逐渐下降，当冷凝压力过低时，密封垫片65在弹簧64的推动下再次移动至压差阀34出口63的上端，使压差阀34关闭。如此往复，可使冷凝器中的压力始终保持在适宜的范围内，确保冷凝器高效运行。

需要特别说明的是，现有二氧化碳制冷系统由于冷凝器的冷凝效率不够高，二氧化碳冷凝效果不理想，常常会发生冷凝器冷凝压力过高的现象，为了检测并控制冷凝压力，现有的二氧化碳制冷系统采用的阀门通常为电子阀，电子阀的整体结构非常复杂，不仅成本高，且不易维护。与现有的二氧化碳制冷系统不同的是，本实施例中采用的是机械压差阀，通过机械压差阀控制和调整冷凝器的冷凝压力，使冷凝压力保持在适宜的范围内。机械压差阀不仅结构简单，成本低，易于维护，同时能够保证本发明的单级二氧化碳制冷系统安全高效运行。

实施例四

高速旋转的压缩机内，如果出现液态冷媒，会对压缩机造成严重损毁。因此，为了确保安全运行，传统的直膨式制冷系统通常会通过调节膨胀阀的开度，控制进入蒸发器的制冷剂的流量，以使制冷剂在蒸发器内充分气化。但这种供液方式无法充分利用蒸发器的换热面积，影响系统的制冷效率。

如图12所示的本发明的实施例四，与实施例一、实施例二或实施例三不同的是，实施例四中设置有制冷剂循环系统，蒸发器41中未完全气化的制冷剂液体可通过制冷剂循环系统回到储液器45中，不会进入到压缩机42内，既充分利用了蒸发器41的换热面积，又能够确保系统的安全运行。

具体的，制冷剂循环系统包括低压循环桶51，低压循环桶51与蒸发器41的出口端相连通，与压缩机42的入口端相连通；调节膨胀阀47的开度，加大二氧化碳液体的流量，使蒸发器41的出口端仍有一部分未完全蒸发的低压液体，如此可使蒸发器41的换热面积得到充分利用；未完全蒸发的二氧化碳液体暂存在低压循环桶51中，不会进入到压缩机42内。

在低压循环桶51与储液器45之间设置有第二抽吸组件52，第二抽吸组件52的第一端口与低压循环桶51相连通，第二抽吸组件52的第二端口与储液器45相连通，低压循环桶51中的二氧化碳液体可通过第二抽吸组件52的第一端口和第二端口抽吸回储液器45内，以再次循环至蒸发器41中蒸发制冷。

进一步，第二抽吸组件52还包括第三端口，第三端口与压差阀44的出口端相连通，经压差阀44节流后的二氧化碳制冷剂先进入第二抽吸组件52内，再与被抽吸至第二抽吸组件52中的低压循环桶51中的二氧化碳液体一起进入储液器45内。

优选地，第二抽吸组件52为文丘里管。第二抽吸组件52中的文丘里管的结构，与实施例一中描述的第一抽吸组件16的文丘里管的结构相同，工作原理也相同，包括顺次相连的进气口、入口段、收缩段、喉道、扩散段、出口段和出气口，喉道部位设置有吸气段。收缩段和扩散段呈锥形管状，收缩段靠近进气口的一端粗，靠近喉道的一端细，扩散段靠近出气口的一端粗，靠近喉道的一端细，喉道为中空的细圆柱形管件结构。

文丘里管的进气口与压差阀44的出口端相连通，文丘里管的出气口与储液器45相连通，文丘里管的吸气段与低压循环桶51中存储二氧化碳液体的空间相连通。当压差阀44中流出的二氧化碳制冷剂流经文丘里管时，会使文丘里管的喉道部位形成负压，进而抽吸低压循环桶51中的液态二氧化碳，使低压循环桶51中的液态二氧化碳循环流回至储液器45中。

此外，在低压循环桶51内设置有液位计53，用于测量低压循环桶51内的二氧化碳液体的液面高度。在低压循环桶51与文丘里管之间设置有电磁阀54，电磁阀54打开，可使低压循环桶51与文丘里管相连通，电磁阀54关闭，可使低压循环桶51与文丘里管之间的通道阻断。

下面结合上述关于实施例四的描述，对制冷剂循环系统的工作过程进行详细说明：

首先，调节膨胀阀47的开度，加大二氧化碳液体的流量，使蒸发器41内的换热面积得到充分利用，此时，蒸发器41的出口端会流出低压二氧化碳气体，以及未完全蒸发的低压二氧化碳液体；

蒸发器41出口端流出的二氧化碳气液混合物会进入低压循环桶51中完成气液分离，气态的二氧化碳制冷剂被压缩机42抽出，液态的二氧化碳制冷剂暂存在低压循环桶51中；

当低压循环桶51中的液态二氧化碳制冷剂累积到一定量时，液位计53达到所设上限，此时，电磁阀54打开，低压循环桶51中的二氧化碳液体被文丘里管抽吸至储液器45中，以进行下一步的制冷循环；

当低压循环桶51中的二氧化碳液体液面被抽吸至液位计53所设上限以下时，电磁阀54关闭，文丘里管暂停对低压循环桶51中的二氧化碳液体的抽吸工作，等待下一次循环过程。

本发明的实施例四中的制冷剂循环系统能够使蒸发器41的换热面积得到充分利用，增强了换热效果，提高系统的制冷效率，同时保证系统的安全运行，且制冷剂循环系统的结构简单，方便控制，运行稳定可靠。

本发明的单级二氧化碳制冷系统，对传统二氧化碳制冷系统的整体结构进行了简化和优化，同时大幅度的提高了制冷效率，实现了二氧化碳制冷剂单级循环制冷，且系统运行稳定，方便控制。

以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。

Claims (16)

1.一种单级二氧化碳制冷系统，包括顺次相连的蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀，其特征在于，冷凝器与膨胀阀之间设置有储液器，压缩机与冷凝器之间设置有第一抽吸组件，第一抽吸组件上设置有第一接口、第二接口和第三接口，第一接口与冷凝器相连通，第二接口与储液器相连通，第三接口与压缩机相连通，压缩机排出的二氧化碳气体经过第一抽吸组件进入冷凝器，并在第一抽吸组件内产生吸气压力，以自动抽吸储液器中的二氧化碳气体。

2.如权利要求1所述的单级二氧化碳制冷系统，其特征在于，第一抽吸组件包括顺次相连的收缩段、喉道和扩散段，第一抽吸组件的第三接口与收缩段连通设置，第一接口与扩散段连通设置，第二接口与喉道连通设置。

3.如权利要求1所述的单级二氧化碳制冷系统，其特征在于，在冷凝器与储液器之间设置有压差阀，压差阀包括入口和出口，压差阀的入口与冷凝器相连通，出口与储液器相连通。

4.如权利要求3所述的单级二氧化碳制冷系统，其特征在于，压差阀的内部设置有垫片，垫片上连接有弹簧，垫片可随弹簧的压缩或释放往复移动，以使压差阀的入口和出口连通或阻断。

5.如权利要求1至4中任一所述的单级二氧化碳制冷系统，其特征在于，包括闪蒸式封闭换热器，闪蒸式封闭换热器包括封闭壳体，封闭壳体内形成有低温环境，冷凝器设置在闪蒸式封闭换热器的封闭壳体内。

6.如权利要求5所述的单级二氧化碳制冷系统，其特征在于，封闭壳体的一侧设置有水雾化装置，另一侧设置有负压风机，冷凝器位于水雾化装置和负压风机之间，负压风机与冷凝器之间形成有第一静压腔，水雾化装置与冷凝器之间形成有第二静压腔，负压风机使第二静压腔内形成负压环境，水雾化装置将雾化水喷射到第二静压腔内，以使雾化水蒸发为蒸汽。

7.如权利要求6所述的单级二氧化碳制冷系统，其特征在于，负压风机的排风量大于封闭壳体内雾化水的蒸发量。

8.如权利要求6所述的单级二氧化碳制冷系统，其特征在于，第二静压腔内的压力低于环境大气压20Pa以上。

9.如权利要求6所述的单级二氧化碳制冷系统，其特征在于，第二静压腔内设置有调压装置，调压装置可促进封闭壳体内蒸汽的流动。

10.如权利要求1至4中任一所述的单级二氧化碳制冷系统，其特征在于，冷凝器设置在地下。

11.如权利要求1至4中任一所述的单级二氧化碳制冷系统，其特征在于，压缩机与蒸发器之间设置有低压循环桶，低压循环桶与储液器相连通，低压循环桶与储液器之间设置有第二抽吸组件，低压循环桶中的二氧化碳液体经第二抽吸组件抽吸进入储液器，低压循环桶中的二氧化碳气体进入压缩机。

12.如权利要求11所述的单级二氧化碳制冷系统，其特征在于，第二抽吸组件上设置有第一端口、第二端口和第三端口，第一端口与低压循环桶相连通，第二端口与储液器相连通，第三端口与冷凝器相连通，冷凝器排出的二氧化碳制冷剂经过第二抽吸组件进入储液器，并在第二抽吸组件内产生吸附力，以使第二抽吸组件自动抽吸低压循环桶中的二氧化碳液体。

13.如权利要求12所述的单级二氧化碳制冷系统，其特征在于，第二抽吸组件包括顺次相连的收缩段、喉道和扩散段，第二抽吸组件的第三端口与收缩段连通设置，第二抽吸组件的第二端口与扩散段连通设置，第二抽吸组件的第一端口与喉道连通设置。

14.如权利要求12或13所述的单级二氧化碳制冷系统，其特征在于，低压循环桶内设置有液位计，低压循环桶与第二抽吸组件之间设置有电磁阀，液位计可测量低压循环桶内的二氧化碳液体的液面高度，以控制电磁阀的打开或关闭。

15.如权利要求1或2所述的单级二氧化碳制冷系统，其特征在于，第一抽吸组件为文丘里管。

16.如权利要求12或13所述的单级二氧化碳制冷系统，其特征在于，第二抽吸组件为文丘里管。