CN1118058A - 制冷装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制冷装置，它采用制冷剂混合物，并有一个在制冷工况期间控制各制冷剂之比以调节制冷量的制冷剂控制器。该装置还包括一台对转速进行控制的压缩机，以便按需要提供制冷量。当压缩机的转速降低于设定的下限值或增加到高于设定的下限值时，上述制冷控制器控制各制冷剂的比例。

Description

制冷装置

本发明涉及一种采用制冷剂混合物的制冷装置，更具体地说，涉及控制各种制冷剂之间的比例以便调节制冷量的制冷装置。

图1示出了一种典型的制冷装置，它包括一台压缩机101、一台室内热交换器103、一个减压器105以及一台室外热交换器107。

在制冷工况中，室内热交换器103用作蒸发器，室外热交换器107用作冷凝器。由压缩机101排出的制冷剂沿用虚线箭头表示的方向流经室外热交换器107、减压器105和室内热交换器103，然后工质再流返回到压缩机101。

图1所示的制冷装置是一种热泵式制冷装置，它包括一个四通阀109。为了完成供热运行，将四通阀109切换成用室内热交换器103作为冷凝器，以及用室外热交换器107作为蒸发器的状况。由压缩机101排出的制冷剂沿用实线箭头表示的方向流径室内热交换器103、减压器105和室外热交换器107。然后，工质再返回压缩机101中。

室内热交换器103和室外热交换器107根据供冷和供热工况可分别用作蒸发器和冷凝器。

制冷装置的产冷量由压缩机101的容量决定。为了增加装置的产冷量，压缩机101的运转速度应非常高，或者必须用一个更大容量的压缩机来代替原装置中的压缩机。

压缩机101若以极高的速度运转，将引起振动，增大摩损和噪音，并使压缩机的使用寿命缩短。如果用一个更大容量的压缩机代替原压缩机101，将加大整个制冷装置的尺寸和重量。

在制冷装置中可以采用低沸点制冷剂和高沸点制冷剂的混合物。与低沸点制冷剂相比，高沸点制冷剂具有较高的沸点，在相同的冷凝压力下其冷凝温度较高。也就是说，高沸点制冷剂能将高温空气送入被调空间内，即使压缩机101的排气压力不是很高，高沸点制冷剂也具有高冷凝温度，可将高温空气送入被调空间内，从而能提高制冷装置的供热能力。

但是，高沸点制冷剂存在一个缺点。当环境温度较低时，为了增加制冷剂混合物的循环量以便增大供热能力，压缩机101的运转速度很高。在这种情况下，蒸发器(室外热交换器107)中蒸发出的高沸点制冷剂的比容变得很大，从而增大了蒸发器107和压缩机101之间的吸入管的压力损失。因此，即使压缩机101的运转速度增高，压缩机101的吸气量并未增大。

另一方面，蒸发器中蒸发出的低沸点制冷剂的比容很小，因此，在压缩机101的排气量相同的情况下，低沸点制冷剂的循环量较大。其结果是提高了供热工况的效率。当环境温度低到降低了供热能力时，增大低沸点制冷剂与高沸点制冷剂的比例是有利的。但是在相同的冷凝温度的条件下，低沸点制冷剂显示出较高的冷凝压力，因此，如果在高温下排出低沸点制冷剂，压缩机101的排气压力将超过所要求的压力值。

本发明的目的是要提供一种制冷装置，该装置有效地利用了混合制冷剂的特性，从而在无需采用大容量压缩机的条件下可以提高制冷工况的性能。

为了完成上述目的，本发明提供了一种使用混合制冷剂的制冷装置，而且采用了一种控制各制冷剂之间比例的制冷剂控制器，以便调节制冷工况期间的制冷量。

为了按需要提供制冷量，本发明的装置包括一台可对转速进行控制的压缩机。当压缩机的转速降低到设定的下限值以下或增加到高于设定的上限值时，上述制冷剂控制器对各制冷剂之间的比例进行控制。

上述装置可以有效地控制压缩机的容量，使其从最小容量变化到最大容量。

当压缩机在最小容量下运转时，制冷剂控制器增大高沸点制冷剂与低沸点制冷剂的比例，从而使制冷剂混合物的比容增加。其结果是抑制了压缩机的容量。

当压缩机在最大容量下运转时，制冷制控制器增大了低沸点制冷剂与高沸点制冷剂的比例，从而减小了制冷剂混合物的比容。其结果是，在没有采用大容量压缩机的条件下加大了压缩机的容量。

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，本发明的上述目的及其他目的、特点和优越性将通过下面的描述更清楚地体现出来。

图1示出了现有的采用一种单一制冷剂的制冷装置；

图2示出了本发明的一个实施例的制冷装置；

图3为反映制冷量与各制冷剂间的比例之间关系的特性曲线；

图4示出了供热工况期间受控空间的温度；

图5示出了转速和制冷量之间的关系；

图6为图2所示的制冷装置的改型，其贮存容器的周围装有毛细管；

图7示出了图2所示的制冷装置的改型，其贮存容器的周围装有若干减压器；

图8示出了图2所示的制冷装置的改型，它包括一个带控制器的制冷剂加热器；

图9示出了图2所示的制冷装置的改型，其贮存容器上装有气相制冷剂流通管道；

图10示出了图2所示制冷装置的改型，其贮存容器上分别装有气相和液相制冷剂流通管道；

图11示出了本发明中采用排放式(release type)压缩机的制冷装置；

图12示出了图11所示装置的特性曲线；

图13示出了本发明的排放式压缩机的基本部分；

图14示出了图13所示压缩机的运转情况；

图15示出了图13所示压缩机的运转情况。

图2至图9详细地说明了本发明的制冷装置的一个实施例。

图2所示的制冷装置供作空气泵式空调器之用，它采用高沸点和低沸点制冷剂混合物。该制冷装置包括一台带吸气罩3的压缩机1、一个四通阀5、一个室内热交换器7、一个用作制冷剂控制器的容器9、一个减压器11以及一个室外热交换器13。上述部件由制冷剂管路15彼此相连。

图3示出了制冷量与制冷剂间的比例之间的关系。在低沸点制冷剂与高沸点制冷剂之比为X处，对应的制冷量坐标点为100％。当低沸点制冷剂与高沸点制冷剂之比增加到Z区时，制冷量增大。反之，当低沸点制冷剂与高沸点制冷剂之比降低到Y区时，制冷量减小。本实施例中的制冷剂混合物是一种非共沸混合物。

图5示出了压缩机1的转速与制冷量之间的关系。根据预定的空间温度与实际空间温度之差，压缩机1的运转速度范围为约10-120Hz。压缩机1通过吸气罩3吸入气态制冷剂混合物并排出高温高压的制冷剂混合物气体。

四通阀5用于将制冷剂混合物从压缩机1转送到室内热交换器7或室外热交换器13中。

室内热交换器7在冷却工况中用作蒸发器，而在供热工况中用作冷凝器。

当室内热交换器7用作蒸发器时，它接收来自减压器11的雾状低温低压制冷剂混合物气体。室内风扇17将空气吹向室内热交换器7，室内热交换器7中的制冷剂吸收空气中的潜热而被蒸发，从而冷却流过室内热交换器7的翅片的空气。室内风扇17将已冷却的空气吹入被调房间。

当室内热交换器7用作冷凝器时，它接收来自压缩机1的高温高压制冷制混合物气体。室内风扇17将空气吹向室内热交换器7，该部分空气吸收流过室内热交换器17的制冷剂混合物的潜热，因此，制冷剂混合物变成雾状，同时，室内风扇17将已加热的空气吹入被调房间。

容器9安装在连接室内热交换器7和减压器11之间供液相制冷剂混合物流过的通道15a上。制冷剂混合物流入容器9中直至其被灌满为止。通过制冷剂加热器19将容器9中的制冷剂加热。

上述制冷剂加热器19带有一根允许制冷剂混合物流过的传热管21。管21被缠绕在容器9的四周。管21的一端经控制阀23与压缩机1的排气口相通；管21的另一端与制冷剂管路15即与室内热交换器7和减压器11之间的液体管道15a相连。由压缩机1排出的高温高压制冷剂混合物气体流过管21。

控制器27接收如室温传感器之类的空调负荷传感器S发出的信号，以控制压缩机1的转速。该控制器27还根据空调负荷和压缩机1转速之间的关系调节控制阀23的开度。控制器27在使低沸点制冷制蒸发的加热温度和使高沸点制冷剂蒸发的加热温度之间控制容器9的温度。也就是说，对贮存在容器9中的制冷剂混合物量进行调节以调节制冷装置中实际参加循环的高、低沸点制冷剂之间的比例。

图8示出了图2所示实施例的一种改型。容器9中装有一个与制冷剂加热器19相当的制冷剂加热器30。加热器30由控制器29控制。本改型能准确地控制制冷剂混合物的加热温度，并能从制冷装置开始运转就提供所要求的高低沸点制冷剂之比。

再参见图2，减压器11将制冷剂混合物雾化成低温低压雾。可以根据安装在压缩机1吸入侧的制冷剂温度传感器31发出的信号对减压器11进行控制。在这种情况下，减压器11根据诸如热负荷之类的运行条件调节制冷剂混合物的流速。

室外热交换器13在供热工况中用作蒸发器而在冷却工况中用作冷凝器。当室外热交换器13用作蒸发器时，它接收雾状制冷制混合物。由于流过室外热交换器13的翅片的空气的热量，使雾状制冷剂混合物蒸发。室外风扇33将上述空气吹向外侧。

当室外热交换器13用作冷凝器时，它接收高温高压制冷剂混合物气体。室外风扇33将空气吹向室外热交换器13，这部分空气吸收制冷剂混合物的潜热，结果将制冷剂混合物冷凝成液体，吸收了潜热的空气由室外风扇33吹向外侧。

在供热工况期间，室内热交换器7用作冷凝器，室外热交换器13用作蒸发器，由压缩机1排出的制冷剂混合物流经室内热交换器7、减压器11、室外热交换器13，再回到压缩机1。在供热工况开始时，密封在制冷装置中的制冷剂时高低沸点制冷剂之比为一初始值。

如果在供热工况期间预定的室温TS(图4)与实际室温之差增大，控制器27发出信号，使控制阀23全开，因此从压缩机1排出的高温高压制冷剂气体流经传热管21以加热贮存在容器9中的制冷剂混合物。

由于加热及容器9的内部压力，容器9中的低沸点制冷制被蒸发并流入管路15。结果增大了容器9中高沸点制冷剂与低沸点制冷剂之比。另一方面，在制冷系统中循环的制冷制混合物中，低沸点制冷剂与高沸点制冷剂之比增大到Z区(图3和4)，从而提高了加热能力。

这样，流过被用作冷凝器的室内热交换器7的翅片的空气被有效地加热，并作为热风被送入被调房间。

流经被用作蒸发器的室外热交换器13的制冷剂混合物吸收了吹过该室外热交换13的翅片的大气的潜热。由于此部分热的影响，室外热交换器13中的制冷剂混合物由雾状变成为气体。在这部分气体中，低沸点制冷剂与高沸点制冷剂之比加大，从而降低了已蒸发的制冷剂混合物的比容。也就是说，制冷制混合物的量相对于压缩机1的排气量增大，因此能迅速提高室温。

当实际室温接近预定房间温度TS时，其温度差变小，压缩机1的运转速度降低。根据压缩机的转速，控制阀23的开度限制高温制冷剂混合物的流速。因此，高低沸点制冷剂之间比从X区变化到Y区(见图3和图4)，从而降低了加热能力。

在冷却工况期间，室内热交换器7用作蒸发器，室外热交换器13用作冷凝器。压缩机1吸入并压缩制冷剂混合物，并将高温高压制冷剂混合物气体排入冷凝器，即排入室外热交换器13。制冷剂混合物的潜热由流过室外热交换器13的翅片的大气吸收，因此，制冷剂混合物被液化。

液态制冷剂混合物流入减压器11，使制冷剂迅速膨胀成低温低压的雾状制冷剂。上述雾状制冷剂流入蒸发器(即，室内热交换器7)，在该蒸发器中制冷剂从流过上述室内热交换器7的翅片的空气中及吸收热量，因此，使上述雾状制冷剂气化，此部分空气被冷却。已冷却的空气被送入被调空间，而经气化的制冷剂被送至压缩机1。在冷却工况中，重复进行上述过程。

在冷却工况中，如图5所示，压缩机1的旋转速度为30-100Hz，以便提供大制冷量。当预定温度TS的实际房间温度之间的差较大时，控制器27发出信号，控制阀23全开，使加热器19加热容器9。在容器9中高沸点制冷制与低沸点制冷剂之比增加。另一方面，在实际参加循环的制冷剂混合物中，低沸点制冷制与高混点制冷剂之比增大到Z区内。

当上述温差变小时，根据压缩机1的转速，高低沸点制冷剂之比变化到X区，然后再变到Y区，致使压缩机1的容量减小。如图5所示，本发明的制冷装置在工作中采用的制冷剂比例为A，B，C和D，以使其具有制冷量为Q₂的制冷能力，Q₂比常规的制冷量范围Q₁宽。以这种方式运转，在供冷和供热工况，压缩机1能在降低能耗、噪音、振动及磨损的前提下高效运转。

图6示出了在图2所示实施例的基础上的一种改型。在容器9附近装有不同收缩比的毛细管35，以使容器9内低沸点制冷剂的内部压力最佳。管路39从容器9的顶端延伸到制冷循环中。容器9中已气化的制冷剂混合物部分通过装于管路39上的逆止阀37单向进入制冷循环中。这种结构可准确控制容器9中高低沸点制冷剂之比，从而提高了冷却工况的控制性能。

图7示出了图2中所示实施例的另一改型。在容器9的上游和下游均装有减压器11。控制器42根据空调负荷、制冷剂温度或压缩机1的转速控制上述减压器11，以使制冷剂混合物的流量达到最佳。用于控制流入容器9及从容器9流出的制冷剂混合物的流量的两个减压器11和加热容器9内的制冷剂混合物的加热器19的结合可高效地使低沸点制冷剂气化，准确地控制容器9中的液态制冷剂量，并可根据压缩机1的运行条件调节制冷装置中实际参加循环的高低沸点制冷剂之比，使其达到最佳。

图9示出了图2所示实施例的又一改型。为使气相制冷剂混合物流过，将容器9安装在压缩机1吸入侧的管路15b上。

上述容器9上绕有传热管41，管41的一端与压缩机1的吸入侧相通，其另一端与第一控制阀45和第二控制阀47之间的旁通管43相连。管41与压缩机1吸入侧相通的那端可以与从压缩机1伸出的气体喷射管相连。

控制器46根据压缩机1的转速或空调负荷控制第一和第二控制阀45及47的开度。旁通管43的一端与压缩机1的排气侧相通，另一端与室内热交换器7和室外热交换器13之间的管路相通。

当容器9内的制冷剂全部气化时，回油管49将来自压缩机1的润滑剂导入容器9中。

供热工况期间，从压缩机1排出的制冷剂混合物沿实线箭头方向流经室内热交换器7、减压器11和室外热交换器13，然后再返回到压缩机1。

在供热工况中，为了用流过管41的制冷剂气体冷却容器9，根据压缩机1的转速或空调负荷可以开启第二控制阀47并关闭第一控制阀45。结果可将液相高沸点制冷剂收集在容器9中，从而增大了流过制冷装置的实际循环的制冷剂混合物中低沸点制冷剂与高沸点制冷剂之比。

如果将第一控制阀45开启，将第二控制阀47关闭，从压缩机1流出的高温高压制冷剂气体流经管41以便加热器9。这将导致容器9中的全部液态制冷剂气化，从而使高低沸点制冷剂之比再回到原密封在装置中的制冷制混合物的初始值。

这样，调节第一和第二控制阀45及47可获得变低沸点制冷剂之比的最佳中间值。

图10示出了再一种改型，它是图8和图9所示结构的组合。图10所示结构可根据运行条件宽范围地控制高低沸点制冷剂之间的比。

图11示出了按照本发明采用了排放式压缩机55的制冷装置。

压缩机55具有多个气缸，其中相邻气缸的气缸室经管道51彼此相通。在正常运行时，管道51由开启/关闭机构53和54关闭，当压缩机55的容量减小时，通过机构53和54将管路51开通。根据机构53和54的开关操作，用作制冷剂控制器的容器9可对制冷装置中参加循环的高低沸点制冷剂之比进行控制。

将容器9安装在使室内热交换器7和减压器11之间的液态制冷剂混合物流过的管路15a上。液态制冷剂流入容器9中，直至将其灌满为止。容器9内的制冷剂混合物由制冷剂加热器19加热。

加热器19包括一根使制冷剂混合物流过的传热管21。管21缠绕在容器9周围。管21的一端经控制阀23与压缩机55的排气口相通，其另一端与室内热交换器7和减压器11之间的制冷剂管路15的管路15a相连。由压缩机55排出的高温高压制冷剂混合物气体流过管21。

控制器27接收来自开启/关闭机构53和54的开/关信号，然后根据这些信号控制控制阀23的开度。控制器27在使低沸点制冷剂蒸发的加热温度至使高沸点制冷剂蒸发的加热温度之间控制容器9的温度。也就是说，调节容器9中的制冷剂混合物量，以控制流过制冷装置参加循环的高低沸点制冷剂之比。

图12示出了现有技术和本发明之间的比较结果。现有技术的制冷量范围为Q₁，而本发明的制冷量范围为宽于Q₁的Q₂。本发明的宽制冷量范围是通过采用制冷制混合物和排放式压缩机来实现的。

图13-图15示出了适用于本发明的制冷装置的排放式压缩机59。

可用机械方法调整压缩机59的容量。将机械方法控制压缩机59的容量和控制各制冷剂之比相结合加宽了制冷装置的制冷量的可控范围。

压缩机59有一个辅助支承61，以形成缸体空腔60。该辅助支承61有一个排放口63。当上述缸体空腔60吸入制冷剂混合物并将其压缩时，部分制冷剂混合物通过排放口63被旁通到低压侧，借此，可减小压缩机59的容量。

压缩机59有一个骨架65，一个缸体67，一根轴69，一个吸入罩71，一个逆止阀73，一根排放管75和一个转子77。

下面对压缩机59的工作情况进行说明。

图14中，在排放口63和排放管75之间装有逆止阀73。当排放口63处的压力高于排放管75中的压力时，即当阀A开启，阀B关闭以使排放管75与低压侧相通时，制冷剂混合物从压缩腔60被旁通到低压侧，借此减少了被压缩的制冷剂混合物量。当阀A关闭、阀B开启时，排放管75与高压侧相通。由于高压，逆止阀73关闭，制冷剂没有旁路，因此，压缩机59具有按气缸容积提供的正常容量。

图15示出了排放口63的操作情况。转子77偏心旋转，对于某一给定转角，转子77的端面开启排放口63，同时，转子77的上述端面正离开该排放口63，制冷剂混合物被排放到低压侧。当转子77的上述端面关闭排放口63时，制冷剂混合物被压缩。在压缩期间，排放口63不在压缩腔60中，从而确保了使压缩机59高效运转的顶部余隙容积。

尽管上面结合了实现供冷和供热工况的热泵式制冷装置对本发明进行解释，本发明也适用于各类制冷机和冻结设备。

总之，本发明的制冷装置通过控制制冷剂混合物的制冷剂组份间的比例扩大了最小和最大供热和供冷能力之间的范围。本发明的压缩机高效运转的范围之间的范围。本发明在压缩机高效运转的范围内有效地选用了制冷剂混合物，因此可消除噪音、磨损和振动，并可延长使用寿命。显然本领域的普通技术人员从本发明所公开的教导中还可作出一些不超出本发明构思的改型。

Claims (5)

1.一种采用制冷剂混合物的制冷装置，包括：用于在制冷工况期间控制各制冷剂之比的制冷制控制设备，以及改变制冷量。

2.如权利要求4所述的装置，其中控制制冷装置的压缩机的转速，以提供所需的制冷量；当压缩机的转速低于设定的下限值或高于设定的上限值时，上述制冷剂控制设备控制各制冷剂之比。

3.如权利要求1所述的装置，还包括：

一台具有将相邻气缸的气缸腔彼此相连的管路的多气缸压缩机，以及在正常运行期间关闭上述管路而在压缩机容量减小时打开上述管路的开启/关闭机构；

上述制冷剂控制设备根据上述开启/关闭机构的打开/关闭操作控制各制冷剂之比。

4.如权利要求1所述的装置，其中上述制冷剂混合物是一种高低沸点制冷剂的非共沸混合物。

5.一种采用制冷剂混合物的制冷装置，包括：在制冷工况期间控制各制冷剂之比的制冷剂控制设备，以改变制冷量；控制该制冷装置的压缩机的转速，以提供所需的制冷能力，当所述压缩机的转速低于设定的下限值或高于设定的上限值时，上述制冷剂控制设备控制各制冷剂之比；以及上述压缩机带有一个改变压缩机压缩容量的机构。

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