CN114144628A - 热交换器和冷却方法 - Google Patents

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CN114144628A CN202080052272.XA CN202080052272A CN114144628A CN 114144628 A CN114144628 A CN 114144628A CN 202080052272 A CN202080052272 A CN 202080052272A CN 114144628 A CN114144628 A CN 114144628A
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heat exchanger
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conduit
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安德里亚斯·瓦格纳
许亦夏
乌尔里希·海塞
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Technische Universitaet Dresden
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Abstract

根据各种实施方案，热交换器(100)可以具有用于输送制冷剂的至少一个管道(102)，所述至少一个管道(102)包括第一部分(102‑1)和第二部分(102‑2)，第一部分(102‑1)相对于制冷剂在至少一个管道中的流动方向设置在相对于第二部分(102‑2)上游，第二部分(102‑2)包括大于第一部分(102‑1)的横截面积的横截面积，使得第二部分(102‑2)中的制冷剂能够升华。

Description

热交换器和冷却方法
技术领域
各种实施方案涉及热交换器和冷却方法。
背景技术
氟化制冷剂(例如R14、R23等)可以用于制冷系统中，通过制冷剂的蒸发以达到低于-50℃的冷却温度。这种氟化制冷剂给环境保护带来了问题，例如，由于它们增加了全球变暖潜能(GWP)。二氧化碳(CO2)升华是一种环境友好的低温(例如在低于-20℃、低于-35℃、低于-50℃等的温度)冷却替代方法，因为CO2是一种具有低GWP(例如，与低温应用中的氟化制冷剂相比，CO2的GWP可以忽略不计)、不易燃的、无毒的天然制冷剂。然而，在制冷系统内保持适当的操作条件(例如，压力、温度等)以使用CO2的升华实现与使用氟化制冷剂的蒸发时相似的温度水平是具有挑战性的，因为升华的热传递小于蒸发的热传递。此外，要升华的固体制冷剂(例如制冷剂的固体颗粒)可以导致制冷系统堵塞。
发明内容
各种实施方案涉及热交换器。本文所述的热交换器在制冷系统中(例如，在冷却系统中)的应用允许制冷系统也用于基于升华的冷却过程，从而用于冷却至低于-50℃的温度水平。
根据各种实施方案，热交换器可以包括用于输送制冷剂的至少一个管道/通道，所述至少一个管道包括第一部分和第二部分，第一部分相对于制冷剂在所述至少一个管道中的流动方向相对于第二部分设置在上游，第二部分包括大于第一部分的横截面积的横截面积，使得制冷剂能够在第二部分中升华。
在各个方面，第一部分可以用于分配和膨胀制冷剂(例如，液体制冷剂，例如高于三相点)。在各个方面，管道可被配置为使得没有热传递(来自制冷剂)发生(或可以发生)在第一部分中。在各个方面，管道可被配置为使得热传递(仅首先)发生在第二部分中。固体制冷剂位于第二部分(低于三相点)中，在其中可以发生热传递。示例性地，管道可以被配置为使得制冷剂在两个部分中处于不同的压力和条件下。
根据各种实施方案，一种使用制冷剂的升华来冷却流体的冷却方法可以包括：向热交换器提供制冷剂，所述热交换器包括用于输送制冷剂的至少一个管道；将制冷剂输送到所述至少一个管道中，所述至少一个管道包括第一部分和第二部分，第一部分相对于制冷剂在至少一个管道中的流动方向相对于第二部分位于上游，第二部分包括大于第一部分的横截面积的横截面积，从而使制冷剂在第二部分中升华；在流入第二部分的制冷剂和待冷却的流体之间提供热传递，使得流入第二部分的制冷剂可以升华，并且待冷却的流体实际上可以被冷却。
附图说明
附图示出了本发明的实施方案的实施例，并且将在下面进行更详细地解释。
在以下附图中：
图1示出了根据各种实施方案的热交换器的示意图；
图2A、图2B、图2C、图2D、图2E和图2F分别以示意图示出了根据不同实施方案的热交换器的管道的一部分；
图2G示出了根据各种实施方案的热交换器的容器和管道的示意图；
图3以示意图示出了根据各种实施方案的包括热交换器的制冷系统；
图4以示意图示出了根据各种实施方案的包括热交换器的制冷系统；
图5以示意图示出了根据各种实施方案的包括热交换器的制冷系统；
图6以示意图示出了根据各种实施方案的包括热交换器的制冷系统；以及
图7以示意图示出了根据各种实施方案的包括热交换器的制冷系统。
具体实施方式
在下面的具体实施方式中，参考形成其一部分的附图，并且其中通过图示的方式示出了可以实施本发明的具体实施方案。在这方面。方向术语(例如“顶部”、“底部”、“朝向前部”、“朝向后部”、“前部”、“后部”等)是参考所述附图的方向使用的。由于实施方案的组件可以定位在多个不同的方向上，所以方向术语用于说明目的，不以任何方式进行限制。应当理解，可以使用其他实施方案，并且在不脱离本发明的保护范围的情况下可以进行结构或逻辑改变。应当理解，除非另有明确指示，否则可以组合本文描述的各个示例性实施方案的特征。因此，以下的具体实施方式不应被解释为限制性的，并且本发明的保护范围由所附权利要求限定。
在本说明书的上下文中，术语“连接”、“附接”和“耦接”用于描述直接和间接连接、直接或间接附接以及直接或间接耦接。在附图中，相同或相似的元件在适当的情况下被给予相同的附图标记。
在本说明书的上下文中，为了简洁起见，使用术语“至少一个”，其可以表示：一个、恰好一个、几个(例如，恰好两个或多于两个)、许多(例如，恰好三个或多于三个)等。本文，“多个”的含义不一定意味着有多个相同的元件，而是本质上功能相同的元件。
在本说明书的上下文中，术语“管道”用于描述由单个管路(例如，单个微型管道)形成的管道和由多个管路(例如，多个微型管道)形成的管道。例如，管道可以由单个管路形成，多个管道可以由例如彼此平行布置的多个单独的管路形成。例如，管道可以穿过板(例如平金属板(例如由铝制成))形成，其中例如通过沿着板的长度形成多个开口来形成多个管路(例如，多个微型管道)。例如，多个板可以包括多个管道，这些管道可以彼此平行布置，并且在每个管道中形成多个管路(例如，多个微型管道)。
在本说明书的上下文中，术语“微型管道”用于描述横截面范围从数百微米到几毫米的管道。例如，微型管道的横截面沿着垂直于管道中流体流动方向的方向可以具有的尺寸(例如，高度、宽度、直径、边长等)，在约100μm至约20mm的范围内，例如，在约200μm至约15mm的范围为，在约500μm至约10mm的范围内，例如，在约1mm至约5mm的范围内，例如，在约100μm至约1.5mm的范围内。例如，这些范围可以指管道的一部分，在其中在管道中流动的流体(例如，在管道中流动的制冷剂)和另一流体(例如，待冷却的流体)之间发生热传递。例如，微型管道可以由多个管路形成，每个管路在上述区域之一具有横截面。
如本文所用，术语“上游”用于描述一个或多个元件相对于流体(例如制冷剂)流动方向的相对位置。例如，术语“相对于元件的上游”可以描述设置在元件上游的位置(例如，元件入口的上游)，使得流体首先流过该位置，然后流入元件。例如，第一元件可以设置在相对于第二元件的上游，使得流体首先流入第一元件，然后流入第二元件。应当理解，术语“上游”不一定意味着第一元件和第二元件彼此直接相邻设置，而是其它元件可沿流动方向设置在第一元件和第二元件之间。
如本文所用，术语“下游”用于描述一个或多个元件相对于流体(例如制冷剂)流动方向的相对位置。例如，术语“相对于元件的下游”可以描述设置在元件下游的位置(例如，元件出口的下游)，使得流体首先流入元件，然后流入该位置。例如，第一元件可以设置在相对于第二元件的下游，使得流体首先流入第二元件，然后流入第一元件。应当理解，术语“下游”不一定意味着第一元件和第二元件彼此直接相邻设置，而是其它元件可沿流动方向设置在第一元件和第二元件之间。
常规的热交换器(例如，常规的蒸发器)可以具有多个平行的管道(例如，平行的微型管道)，用于输送和蒸发制冷剂。常规的热交换器也可以具有设置在管道之间的多个翅片，其增加了可用于热传递的表面积。这种传热设计(例如带有翅片)能够提供紧凑的热交换器，其中由于多个管道提供的增加的传传递面积，确保了待冷却的流体和流入管道的(例如待蒸发的)制冷剂之间的高效的热传递。
与蒸发制冷剂相比，在热交换器中通过升华吸收热量存在一些挑战。热传递减少，并且制冷剂固体颗粒的聚集会导致热交换器堵塞和阻塞。
制冷系统(例如制冷设备)通常可以描述为开路或闭路。在开路中，制冷剂在与待冷却的流体进行热传递后不会在系统中再循环，但是制冷剂会流失到环境中。换句话说，在蒸发或升华之后，制冷剂不再可用。相比之下，在闭路系统中，制冷剂在与待冷却的流体热传递后保留在系统中，使得制冷剂可以冷凝并被提供给热交换器以重复该过程。通过制冷剂(例如CO2)升华的冷却通常在开路中进行，例如通过将待升华的制冷剂喷射到待冷却的表面上，因此应当使用大量的制冷剂。由于待升华的固体制冷剂(例如制冷剂的固体颗粒)导致制冷系统(例如压缩机)的部件堵塞(例如损坏)，闭路中的升华受到阻碍。一种可能的途径是使用载体流体来输送固体制冷剂颗粒。然而，在这样的实施方案中，将需要额外的能量来循环载体流体。此外，制冷剂应该在升华之后与载体流体分离，以作为制冷循环的一部分被再压缩。这种分离将需要重大的技术努力并会导致压力损失，其会对制冷能力和过程效率产生负面影响。
具有多个管道(例如，多个微型管道)的热交换器可以是用于升华的合适的热传递方法。例如，由于大量管道而增加的热传递表面可以补偿减少的热传递。如果单个管道被堵塞，其他的管道将保留用于热传递，以便使用热交换器的制冷系统可以继续运行。
然而，在技术实施中，在制冷剂向各管道的分配中出现了问题。在基于制冷剂蒸发的常规制冷系统中，蒸发器具有分配器，该分配器由管道(例如微型管道)伸入其中的一种容器组成。待蒸发的制冷剂以液体聚集态和/或气体聚集态被分配在各管道中。以固态和气体进入容器的待升华制冷剂(例如CO2)将用其固体颗粒堵塞管道入口。
因此，需要一种能够在闭路中高效且有成本效益的实施基于升华的冷却的解决方案。
图1以示意图示出了根据各种实施方案的热交换器100。
根据各种实施方案，热交换器100可以包括用于输送制冷剂的至少一个管道102(例如，至少一个微型管道)。热交换器100可以被配置为使得制冷剂流入至少一个管道102，并且可以与待冷却的流体(例如，空气、水、盐水等)处于热传递关系，使得来自待冷却流体的热量可以被吸收到流入至少一个管道102的制冷剂中。根据各种实施方案，至少一个管道102还可以包括用于输送制冷剂的多个管路(例如，多个微型管道、多个微型管道管路等)，例如，这些管道可以彼此平行设置。
应当理解，热交换器100还可以包括用于输送制冷剂的多个管道102，例如，这些管道可以彼此平行设置。
根据各种实施方案，至少一个管道102可以包括第一部分102-1和第二部分102-2。第一部分102-1相对于制冷剂在至少一个管道102中的流动方向，可以设置在相对于第二部分102-2的上游。换句话说，至少一个管道102可以被配置为使得制冷剂最初流入第一部分102-1，随后流入第二部分102-2。根据各种实施方案，第二部分102-2可以直接邻近第一部分102-1设置。
根据各种实施方案，第二部分102-2可以具有大于第一部分102-1的横截面积的横截面积，使得第二部分102-2中的制冷剂能够升华。例如，热交换器100可以被配置为使得当制冷剂流入第二部分102-2时，制冷剂与待冷却的流体处于热传递关系，使得热量可以从待冷却的流体被吸收到流入第二部分102-2的制冷剂中。示例性地，热交换器100可以被配置为使得第二部分102-2中的制冷剂可以由于与待冷却的流体的热传递而升华。
为了发生升华，制冷剂应该处于至少部分地固体聚集态(例如，处于固体/气体聚集态)。此外，制冷剂应该处于这样的温度水平和/或压力水平，其使得从固体聚集态到气体聚集态的直接相变是可能的。换句话说，制冷剂应该处于这样的温度水平和/或压力水平，该温度水平和/或压力水平定义了制冷剂相图中制冷剂可能升华的位置。
当流体(例如，制冷剂)流入狭窄处或节流器(例如节流开口，例如横截面积减小的管路部分)时，流体的速度增加，因此流体的压力降低。在节流器的上游，流体可以处于高压力水平(例如，处于在约10bar至约160bar，例如约70bar至约140bar，例如约40bar至约70bar范围内的压力水平)。在节流器中，流体达到临界(声速的)速度(所谓的阻塞流)，因此节流器中的压力下降至较低的压力水平(例如，达到约10bar至约70bar，例如约10bar至约40bar，例如约40bar至约70bar范围内的压力水平)。相对于节流器的下游，随后流体进一步膨胀，并且流体的压力继续下降(例如，处于约0bar到约5bar范围内的压力水平)。
应当理解，本文描述的压力范围是通过示例的方式选择的，并且例如它们可以应用于作为待升华的制冷剂的CO2。应当理解，压力范围可以取决于待升华的制冷剂，并且可以基于所使用的制冷剂进行相应的调整。
根据各实施方案，第一部分102-1的横截面积可以小于第二部分102-2的横截面积，使得第一部分102-1在至少一个管道102的入口处提供节流点。换句话说，第一部分102-1是至少一个管道102的入口处的节流点。
根据各种实施方案，第一部分102-1的横截面积可以被设定尺寸为使得制冷剂在第一部分102-1上游处于高压力水平(例如，处于约10bar至约160bar，例如约70bar至约140bar，例如约40bar至约70bar范围内的压力水平)；在第一部分102-1中，制冷剂达到临界(声速的)速度，使得第一部分102-1中的制冷剂压力处于较低的压力水平(例如，处于约10bar至约70bar，例如约10bar至约40bar，例如约40bar至约70bar范围内的压力水平)；并且在第一部分102-1之后(换句话说，相对于第一部分102-1的下游，在进入第二部分102-2时)，随后制冷剂进一步膨胀，制冷剂的压力进一步下降，例如，下降到升华压力水平(例如，处于约0bar至约5bar范围内的压力水平)。换句话说，第一部分102-1的横截面积被设定尺寸为使得流入第一部分102-1的制冷剂的压力下降。
根据各种实施方案，第一部分102-1的横截面积的尺寸被设定尺寸为使得第一部分102-1(示例性地，直至第一部分102-1的出口)中制冷剂的压力高于制冷剂的升华压力，使得第一部分102-1中的制冷剂不能升华。换句话说，第一部分102-1的横截面积被设定尺寸为使得流入第一部分102-1中的制冷剂的压降不足以使第一部分102-1中的制冷剂升华。如此，第一部分102-1的横截面积被设定尺寸为防止第一部分102-1中的制冷剂升华。换句话说，热交换器可以被配置为(例如，第一部分被设定尺寸为)使得在流入第一部分的制冷剂和被冷却的流体之间不发生热传递。
否则，如果制冷剂在第一部分中流动时与流体进行热交换，可能会产生不希望的效果。例如，高于制冷剂的三相点时，可以发生液态制冷剂的蒸发(在较高温度下获得热量)。作为另一个例子，低于制冷剂的三相点时，将使用额外的部件来将固体制冷剂分配到第一部分中(否则，固体制冷剂会在第一部分的上游发生堵塞)。
根据各种实施方案，第一部分102-1的横截面积被设定尺寸为使得第一部分102-1中的制冷剂处于高于制冷剂的三相点的压力水平的压力水平。
根据各种实施方案，第一部分102-1的横截面积被设定尺寸为使得第一部分102-1中的制冷剂处于或者可以处于非固体(例如，液体、气体、液体/气体、超临界等)聚集态。换句话说，第一部分102-1的横截面积被设定尺寸为使得制冷剂处于这样的压力水平，其使得第一部分102-1中的制冷剂处于非固体(例如，液体、气体、液体/气体、超临界等)聚集态。
根据各种实施方案，第一部分102-1的横截面积被设定尺寸为使得达到了通过节流点(换句话说，通过第一部分102-1)的临界质量流量，其取决于入口压力和/或入口温度(例如，第一部分102-1入口处的压力和/或温度)，并且临界出口压力(例如，第一部分102-1的出口压力)高于制冷剂的三相点。因此，可以防止节流点的堵塞(例如，第一部分102-1的堵塞，从而至少一个管道102的堵塞)，因为节流点中(换句话说，第一部分102-1中)的制冷剂处于非固体聚集态。只有在离开节流点之后(换句话说，在进入第二部分102-2时)，制冷剂才膨胀到升华压力水平。
根据各种实施方案，第一部分102-1的横截面积和第二部分102-2的横截面积可以被设定尺寸为使得流入相对于第一部分102-1下游的至少一个管道102中(换句话说，进入第二部分102-2时)的制冷剂的压力低于(例如，低5bar、低10bar、低20bar、低30bar、低50bar等)第一部分102-1中的压力。例如，第一部分102-1的横截面积被设定尺寸为使得制冷剂在第一部分102-1中处于约10bar至约70bar(例如，约10bar至约40bar，约40bar至约70bar等)范围内的压力水平。例如，第二部分102-2的横截面积被设定尺寸为使得制冷剂在第二部分102-2中处于约0bar至约5bar(例如，处于大气压水平)范围内的压力水平。
根据各种实施方案，第一部分102-1的横截面积和第二部分102-2的横截面积被设定尺寸为使得流入至少一个管道102的制冷剂在相对于第一部分102-1下游(例如，在第二部分102-2中)处于使制冷剂能够升华的压力水平。例如，第一部分102-1的横截面积和第二部分102-2的横截面积被设定尺寸为使得制冷剂在流入第二部分102-2时处于适合于升华的压力水平(例如，处于升华压力水平，当制冷剂包括例如CO2时处于大气压)。
在制冷剂进入至少一个管道102时的对其进行的节流确保制冷剂的升华区域仅在至少一个管道102(例如，第二部分102-2)中能够实现。换句话说，在制冷剂进入至少一个管道102时对其进行节流使处于不可升华(例如，非固体)聚集态的制冷剂被提供给至少一个管道102，并且使制冷剂仅在至少一个管道102中转变为可升华(例如，至少部分地固体)的聚集态。
根据各种实施方案，节流点可以被设定尺寸为使得制冷剂从相对于第一部分102-1上游的液体或液体/气体聚集态膨胀到相对于第一部分102-1下游的至少部分固体(例如，固体/气体)聚集态(换句话说，在第二部分102-2中)。例如，第一部分102-1的横截面积和第二部分102-2的横截面积可以被设定尺寸为使得当制冷剂从第一部分102-1流入第二部分102-2时，压力降低，使得制冷剂从非固体(例如，液体、气体、液体/气体、超临界等)聚集态转变为至少部分地固体(例如，固体/气体)聚集态。换句话说，第一部分102-1的横截面积和第二部分102-2的横截面积可以被设定尺寸为提供这样的压降，其使得制冷剂在第二部分102-2中到达制冷剂相图的升华区域。
根据各种实施方案，第一部分102-1可以具有在约0.0001mm2至约0.8mm2的范围内，例如在约0.001mm2至约0.5mm2的范围内，例如在约0.005mm2至约0.25mm2的范围内的横截面积。根据各种实施方案，第二部分102-2可以具有在约0.01mm2至约400mm2的范围内，例如在约0.1mm2至约100mm2的范围内，例如在约0.5mm2至约50mm2，例如在约1mm2至约20mm2的范围内的横截面积。
因此，即使向热交换器100提供非固体(例如，液体、气体、液体/气体、超临界等)制冷剂，热交换器100也可以用作升华器。例如，可以采用本文所述的一个或多个管道的设计来调整常规的热交换器，使其也可以用于制冷剂(例如，CO2)的升华。因此，本文所述的配置代表了可用于封闭制冷循环的升华器的相对低成本的选择。
因此，热交换器100可以被配置为接收非固体聚集态的制冷剂，并且热交换器100内的制冷剂转变为至少部分地固体聚集态，从而使制冷剂升华。
根据各种实施方案，制冷剂可以包括天然制冷剂，例如二氧化碳(CO2)。然而，制冷剂也可以包括烃基制冷剂，例如HFKW、HFCKW、HFO、R170、R290、R600等。根据各种实施方案，制冷剂可以包括彼此不同的多种制冷剂的混合物。应当理解，可以基于热交换器100的所需操作(例如，要达到的温度范围)来选择制冷剂。
根据各种实施方案，热交换器100可以包括至少一个热传递元件104，其被设置为与至少一个管道102接触(例如直接物理接触)。例如，至少一个热传递元件104可以被配置为从至少一个管道102的表面伸出的一个或多个的外部突起(例如肋、多个肋、翅片、多个翅片等)。应当理解，热交换器100还可以包括多个热传递元件104，热传递元件104可以被设置为与至少一个管道102接触或者位于两个相邻管道102之间。
根据各种实施方案，至少一个热传递元件104可以被配置为增加待冷却的流体和流入至少一个管道102(例如，流入至少一个管道102的第二部分102-2)的制冷剂之间的可用于热传递的表面积，使得可以改善热交换器100的热传递速率和整体效率。例如，热交换器100可以被配置为使待冷却的流体流过至少一个热传递元件104(例如，在与至少一个管道102中的制冷剂流动方向成角度或垂直的方向上)，并以更高效的方式将热量散发给制冷剂。
根据各种实施方案，热交换器100可以包括第一容器106(例如，分配容器)。第一容器106可以被配置为向至少一个管道102供应制冷剂。根据各种实施方案，第一容器106可以被配置为将制冷剂分配(例如，均匀地)到至少一个管道102的多个管路(例如，多个微型管道)中或多个管道102的管道102中。
本文所述的配置可以通过第一容器106将制冷剂(例如，待升华的)容易地供应或分配，因为制冷剂在流入第一容器106时处于或者可以处于非固体(例如，液态、气体、液态/气体、超临界等)聚集态。根据各种实施方案，第一容器106可以被配置为使得流入第一容器106中的制冷剂处于非固体(例如，液体、气体、液体/气体、超临界等)聚集态。因此，待升华的制冷剂也可以以简单的方式被供应或分配，并且仅在进入至少一个管道102时(例如，在进入第二部分102-2时)转变为至少部分地固体聚集态。
根据各种实施方案，第一容器106可以被配置为使得制冷剂在第一容器106中处于中压水平或高压水平(例如，处于约10bar至约160bar，例如，约70bar至约140bar，例如，约40bar至约70bar，例如，约10bar至约40bar的范围内的压力水平，等)。因此，第一容器106可以被配置为使得制冷剂在第一容器106中完全是液体或液体/气体或超临界的。根据各种实施方案，第一容器106可以被配置为使得制冷剂在第一容器106中处于(例如，总是)高于制冷剂的三相点的压力水平的压力水平。节流至低压水平(例如，处于约0bar至约5bar范围内的压力水平)发生在至少一个管道102的第二部分102-2中。
根据各种实施方案，第一容器106可以被配置为分离器(例如，中压分离器)，用于将制冷剂的液相与制冷剂的气相分离。在该实施方案中，第一容器106可以被配置为向至少一个管道102供应液体制冷剂，或者在多个管道102的管道之间分配液体制冷剂，并且通过另外的出口(例如气体出口)排放气体制冷剂。因此，可以更精确地确定至少一个管道102中的制冷剂的条件(例如压力)。此外，液体制冷剂可以以更简单的方式供应或分配。
根据各种实施方案，第一容器106可设置成与待冷却的流体是绝热的。例如，第一容器106可以包括涂层(例如热涂层)或使用涂层涂覆，该涂层被设置为将第一容器106与流过或流经热交换器100的待冷却的流体热隔离。因此，可以防止第一容器106中的制冷剂过冷，使得第一容器106中的制冷剂不会变为可升华的(例如，至少部分固态的)聚集态。
根据各种实施方案，热交换器100可以包括第二容器108(例如，收集容器)。第二容器108可以被配置为接收从至少一个管道102排出的制冷剂。根据各种实施方案，第二容器108可以被配置为收集固体制冷剂组分(例如，制冷剂的固体颗粒)。当制冷剂变成至少部分地固态时，可以形成制冷剂的固体制冷剂组分。这些固体制冷剂组分由于与待冷却的流体的热传递可以在第二部分102-2中升华。在这些固体制冷剂组分中的一些没有升华的情况下，所述一些制冷剂组分对于制冷系统来说可能是有问题的。例如，这些固体制冷剂组分可能会损坏压缩机。因此，第二容器108可以被配置为将从至少一个管道102排出的固体制冷剂成分收集在第二容器108中。因此，可以防止制冷系统中这些制冷剂组分的不期望的循环。
根据各种实施方案，第二容器108可以被配置为固体分离器(例如，旋风分离器)。例如，第二容器108可配置为从第一出口排出气体制冷剂并收集固体制冷剂(例如，固体制冷剂组分，例如制冷剂的固体颗粒)。根据各种实施方案，第二容器108可以具有第二出口用于排出收集的固体制冷剂。当热交换器100用于制冷系统时，第二容器108可以用这种方式使得仅气体制冷剂被提供用于制冷系统中的循环。
图2A、图2B、图2C、图2D、图2E和图2F各自以示意图示出了根据各种实施方案的热交换器100的管道102的一部分。
至少一个管道102的第一部分102-1和第二部分102-2可以被任意地确定尺寸和/或成型，使得可以达到制冷剂仅在第二部分102-2中能够升华的效果。例如，第一部分102-1和/或第二部分102-2可以具有任何形状的横截面，例如圆形横截面、椭圆形横截面、正方形横截面、矩形横截面、多边形横截面等。
根据各种实施方案，第一部分102-1的横截面可以具有与第二部分102-2的横截面相同的形状。然而，第一部分102-1的横截面和第二部分102-2的横截面也可以具有彼此不同的形状。
根据各种实施方案，第一部分102-1可以具有沿着第一部分102-1中的制冷剂的流动方向(例如，沿着方向101，例如第一部分102-1的长度)不变的横截面。但是，第一部分102-1也可以具有沿着第一部分102-1中的制冷剂流动方向(例如，沿着方向101，例如第一部分102-1的长度)变化的横截面。例如，第一部分102-1的横截面的形状和/或尺寸可以改变。
根据各种实施方案，第二部分102-2可以具有沿着第二部分102-2中的制冷剂流动方向(例如，沿着方向101，例如第二部分102-2的长度)不变的横截面。但是，第二部分102-2也可以具有沿着第二部分102-2中的制冷剂流动方向(例如，沿着方向101，例如第二部分102-2的长度)变化的横截面。例如，第二部分102-2的横截面的形状和/或尺寸可以改变。
根据各种实施方案，第一部分102-1和第二部分102-2可以被配置为在第一部分102-1和第二部分102-2之间的界面处提供横截面积的突然的(换句话说，突然的(sprungartig))变化，例如如图2A所示。
然而，如图2B所示，第二部分102-2也可以具有从与第一部分102-1的界面开始逐渐增加的横截面积，直到达到期望的横截面积。例如，第二部分102-2可以具有锥形形状。因此，在该实施方案中，横截面积逐渐变化。
因此，第一部分102-1和第二部分102-2的形状和横截面积可以根据需要进行选择，例如取决于制冷剂和/或使用热交换器100的制冷系统的其他操作参数。
根据各种实施方案，第一部分102-1的横截面可以具有沿着垂直于制冷剂在至少一个管道102中的流动方向的方向的尺寸(例如，垂直于方向101，例如高度、宽度、直径、边长等)，该尺寸在约0.01mm至约0.5mm，例如约0.01mm至约0.2mm，例如约0.02mm至约0.1mm，例如约0.02mm至约0.05mm的范围内。例如，第一部分102-1的横截面可以具有沿着垂直于制冷剂在至少一个管道102中的流动方向的方向的尺寸，该尺寸小于0.1mm。例如，第一部分102-1的横截面可以被设定尺寸为使得流入第一部分102-1的制冷剂达到临界速度(例如声速)。
根据各种实施方案，第一部分102-1可以具有沿着平行于至少一个管道102中的制冷剂流动方向的方向(例如，沿着方向101，例如，第一部分102-1的长度)的尺寸，其被设定尺寸为使得第一部分102-1中的制冷剂保持非固体聚集态。换句话说，第一部分102-1的长度被设置尺寸为使得流入第一部分102-1中的制冷剂的压降不足以使制冷剂在第一部分102-1中升华(例如，不足以达到低于制冷剂三相点的压力水平)。
根据各种实施方案，第二部分102-2的横截面可以具有沿着垂直于制冷剂在至少一个管道102中的流动方向的方向的尺寸(例如，垂直于方向101，诸如高度、宽度、直径、边长等)。该尺寸在约0.1mm至约20mm，例如约0.5mm至约10mm，例如约1mm至约5mm的范围内。
根据各种实施方案，第二部分102-2可以具有沿着平行于至少一个管道102中的制冷剂流动方向的方向(例如，沿着方向101，例如，第二部分102-2的长度)的尺寸，其被设定尺寸为使制冷剂能够在第二部分102-1中完全升华。
为了获得第一部分102-1的横截面积和横截面的期望尺寸，可以将具有期望的尺寸(例如，期望的直径)的线材插入到常规的管道(例如，常规的微型管道)中；然后可以夹紧管道的初始部分；并且该线材可以最终被移除，因此，提供了包括横截面积减小的第一部分102-1的管道102。插入的线材可以被涂覆，使得在夹紧之后，涂层可以通过加热被烧掉。结果，在管道102(例如，在管道102的内表面之间)和线材之间产生间隙，使得线材可以以更容易的方式被移除。应当理解，可以使用(例如，同时)多根线材来改变多个管道(例如，多个微型管道)或管道的多个管路。
或者，可以夹紧管道直到管道的入口关闭，然后在管道中制备孔(例如，通过钻孔、通过激光等)，以便因此可以提供包括横截面积减小的第一部分102-1的管道102。应当理解，可以同时修改多个管道或一个管道的多个管路(例如，多个微型管道)，以便可以在相应的管道或管路中制备孔。
根据各种实施方案，可以使用收缩元件210(例如，套筒、穿孔盘、穿孔板、盖等)以减小第一部分102-1的横截面积或在至少一个管道102的入口处提供限流点，例如如图2C至2F所示。收缩元件210可以是任何合适的元件，使得在至少一个管道102的入口处提供节流点。
收缩元件210可以具有任何合适的横截面(例如内部横截面)，例如圆形横截面、椭圆形横截面、正方形横截面、矩形横截面、多边形横截面等。
根据各种实施方案，收缩元件210的横截面(例如内部横截面)可以具有沿着垂直于制冷剂在收缩元件210中的流动方向的方向的尺寸(例如，内部尺寸)(例如，垂直于方向101，例如高度、宽度、直径、边长等)，该尺寸在约0.01mm至约0.5mm，例如约0.01mm至约0.2mm，例如约0.02mm至约0.1mm，例如约0.02mm至约0.05mm的范围内。例如，收缩元件的横截面可以具有沿着垂直于制冷剂在收缩元件210中的流动方向的方向的尺寸，该尺寸小于0.1mm。例如，收缩元件210的横截面可以被设定尺寸为使得流入收缩元件210的制冷剂在收缩元件210中(并且，示例性地在第一部分102-1中)达到临界速度(例如声速)。
根据各种实施方案，收缩元件210的横截面(例如，内部横截面)的尺寸可以被设置为防止收缩元件210中的制冷剂(并且示例性地在第一部分102-1中)升华。例如，收缩元件210的横截面的尺寸可以被设置为使得制冷剂在收缩元件210内处于制冷剂不能升华的压力水平。例如，收缩元件210的横截面的尺寸可以被设置为使得收缩元件210中的制冷剂处于非固体(例如、气体、液体/气体、超临界等)聚集态。根据各种实施方案，收缩元件210可以被设置为使得制冷剂在收缩元件210内处于高于制冷剂的三相点的压力水平的压力水平。
根据各种实施方案，收缩元件210可以具有沿着平行于收缩元件210中的制冷剂流动方向的方向(例如，沿着方向101，例如，收缩元件210的长度)的尺寸，其被设定尺寸为使得收缩元件210中的制冷剂保持非固体聚集态。换句话说，收缩元件210的长度被设置尺寸为使得流入收缩元件210中的制冷剂的压降不足以使收缩元件210中的制冷剂升华或者达到低于制冷剂三倍压力的压力水平。
如图2C和图2D所示，根据各种实施方案，至少一个管道102可以包括设置在第一部分102-1中的收缩元件210，使得第一部分102-1的横截面积可以减小。例如，收缩元件210可以插入管道中，并且管道(例如，管道的入口)可以被夹紧，使得收缩元件210被固定，结果，可以提供包括具有减小的横截面积的第一部分102-1的管道102。应当理解，收缩元件可以设置在多个管道的每个管道中，或者设置在管道的每个管路(例如，每个微型管道)中。
如图2C所示，根据各种实施方案，收缩元件210可以完全地被设置在至少一个管道102内(例如，在第一部分102-1内)。然而，如图2D所示，收缩元件210还可以包括设置在至少一个管道102外部(例如，在第一部分102-1外部)的部分。
例如如图2E和2F所示，根据各种实施方案，收缩元件210可以被设置(例如，固定，例如，焊接)在至少一个管道102的入口处。在该实施方案中，收缩元件210可以具有在约1μm至约500μm的范围内，例如在约50μm至约200μm的范围内的长度或厚度。
例如，如图2E所示，收缩元件210可以是其中制备有一个或多个孔的薄板(例如薄片、圆盘)。可选地，如图2F所示，收缩元件210可以是设置在至少一个管道102的入口处的盖，并且其中制备有一个或多个孔。
在本实施方案中，收缩元件210可形成至少一个管道102的附加部分。因此，收缩元件210可以用作至少一个管道102的第一部分102-1，并且至少一个管道102可以用作至少一个管道102的第二部分102-2。换句话说，收缩元件210和至少一个管道102可以被设置为或被设置尺寸为使得制冷剂在收缩元件210之前处于高压水平(例如，处于约10bar至约160bar的范围内，例如处于约70bar至约140bar的范围内，例如处于约40bar至约70bar的范围内的压力水平)；在收缩元件210中，制冷剂达到临界(声速)速度，使得制冷剂压力在收缩元件210中下降至较低的压力水平(例如，处于约10bar至约70bar，例如，处于约10bar至约40bar，例如，处于约40bar至约70bar范围内的压力水平)，并且在收缩元件210之后(例如，在进入至少一个管道102时)，制冷剂进一步膨胀，并且制冷剂的压力进一步下降，例如，处于升华压力水平(例如，处于约0bar至约5bar范围内的压力水平)。
根据各种实施方案，热交换器100可以包括用于输送制冷剂的至少一个管道102，以及设置在相对于至少一个管道102上游的至少一个收缩元件210，其中至少一个管道102具有大于至少一个收缩元件210的横截面积(例如，内部横截面积)的横截面积，使得制冷剂在至少一个管道102中能够升华。
图2G以示意图示出了根据各种实施方案的热交换器100的容器106和管道102。
为清楚起见，图2G中仅示出了第一容器106和至少一个管道102。应当理解，热交换器100的其他元件(例如，第二容器106、至少一个传热元件104等)也存在。
根据各种实施方案，可将至少一个管道102插入(例如，通过焊接)第一容器106中。当将至少一个管道102连接到第一容器106时，应注意确保第一部分102-1在该过程中不会变形(例如，由热膨胀导致的)或密封(例如，由焊料导致的)。
例如，至少一个管道102可以突出到第一容器106中，使得第一部分102-1从至少一个管道102和第一容器106之间的接合处(例如，焊点)充分移除，从而可以避免对第一部分102-1(换句话说，节流点)的不期望的修改。根据各种实施方案，至少一个管道102可以以这样的深度tE插入第一容器106中，使得可以避免第一部分102-1的不期望的修改。
如果收缩元件210用于减小第一部分102-1的横截面积或形成至少一个管道102的附加部分，则收缩元件210可以包括不会被所使用的焊料润湿的材料。
下文描述了包括本文所述的热交换器100的制冷系统的可能配置。应当理解，这些配置是通过示例的方式选择的，并且根据需要合适的其他配置和组件也是可能的。
图3以示意图示出了包括根据各种实施方案的热交换器100的制冷系统300。
根据各种实施方案，热交换器100可以用于制冷系统300(例如，冷却系统)中，使得制冷系统300也可以用于基于升华的冷却过程，并从而可用于冷却至-50℃的温度水平。制冷系统300可以是常规的(例如，冷蒸汽基的)制冷系统，其中蒸发器已经被本文所述的热交换器100代替。
根据各种实施方案，制冷系统300可包括设置在相对于热交换器100的下游的压缩机312(例如，往复式压缩机、螺杆式压缩机、旋转式压缩机、离心式压缩机、涡旋式压缩机等)。制冷系统300可以被配置为使得从热交换器100输出的在升华之后处于气体的制冷剂被供应到压缩机312。例如，压缩机312可以与热交换器100进行(例如流体的)连通，例如压缩机312和热交换器100可以(例如使用管道，例如吸入管道)彼此连接。根据各种实施方案，压缩机312可以被配置为从热交换器100的出口(例如，从第二容器108，例如从第二容器108的气体出口)抽取制冷剂。
根据各种实施方案，压缩机312可以被配置为压缩制冷剂。因此，例如，压缩机312可被配置为在低压下(例如，在约0bar至约5bar范围内的压力水平下)接收制冷剂，并且在高压下(例如，在约10bar至约160bar，例如，在约70bar至约140bar，例如，在约40bar至约70bar范围内的压力水平下)排放制冷剂。
压缩机312还可以被配置为将制冷剂循环到制冷系统300中，使得制冷剂可以循环到制冷系统300中。
根据各种实施方案，制冷系统300可包括设置在相对于压缩机312下游的散热热交换器314(例如，冷凝器、气体冷却器等)。根据各种实施方案，制冷系统300可以被配置为将由压缩机312压缩的制冷剂供应至散热热交换器314中。例如，散热热交换器314可以与压缩机312进行(例如，流体的)连通，例如，散热热交换器314和压缩机312可以(例如，使用管道，例如气体管道)彼此连接或变得彼此连接。
根据各种实施方案，散热热交换器314可以被设置在相对于热交换器100的上游。因此，制冷系统300可以被配置为使得从散热热交换器314排出的制冷剂被供应到热交换器100(例如，第一容器106)中。例如，散热热交换器314可以与热交换器(例如，第一容器106)进行(例如，流体的)连通，例如，散热热交换器314和热交换器100可以(例如，使用管道，例如气体管道)彼此连接或变得彼此连接。
根据各种实施方案，散热热交换器314可以被配置为使得制冷剂流入散热热交换器314，并且制冷剂与第二流体(例如，空气、水、盐水等)处于热传递关系，使得当制冷剂流入散热热交换器314时，热量从制冷剂中被提取并被吸收到第二流体中。从而可以冷却制冷剂。根据各种实施方案，从散热热交换器314排出的制冷剂可以处于高压力状态(例如，处于在约10bar至约160bar，例如约70bar至约140bar，例如约40bar至约70bar范围内的压力水平)。
可选地或附加地，散热热交换器314可以被配置为使得制冷剂流入散热热交换器314，并且散热热交换器314与第二制冷剂处于热传递关系。例如，散热热交换器314可以与另一个热交换器(例如，另一个制冷回路)处于热传递关系，使得热量可以从流入散热热交换器314的制冷剂中被提取，并且被吸收到流入另一个热交换器(例如，另一个制冷回路)的第二制冷剂中。
热交换器100的第一容器106中的制冷剂压力以及至少一个管道102的第一部分102-1的入口处的制冷剂压力影响临界质量流量，该临界质量流量代表能够流入节流点(例如，流入第一部分102-1中)的最大质量流量。例如，临界质量流量随着入口压力的增加而增加(例如，随着第一部分102-1的入口处的制冷剂压力的增加)。使用增加的质量流量，可以实现增加的制冷能力。
根据各种实施方案，制冷系统300可以进一步包括开环控制系统或具有闭环控制回路的闭环控制系统。所述开环控制系统可以被配置为开环控制制冷系统300的部件和/或所述闭环控制系统可以被配置为闭环控制制冷系统300的部件的操作条件。
闭环控制从散热热交换器314排出的制冷剂的压力(例如，高压)，并从而控制供应到热交换器100的制冷剂的压力，可以具有控制第一容器106和/或第一部分102-1中的质量流量的效果。增加高压可以增加临界质量流量，从而降低制冷剂的过热或增加制冷能力。例如，控制高压可以通过控制散热热交换器314的温度水平来实现。
根据各种实施方案，开环控制系统可以被配置为开环控制和/或闭环控制系统可以被配置为闭环控制散热热交换器314，使得由散热热交换器314排出的制冷剂的压力增加(或减少)，从而第一容器106中的制冷剂的质量流量增加(或减少)。例如，开环控制系统可以被配置为控制开环和/或闭环控制系统可以被配置为控制闭环散热热交换器314，使得由散热热交换器314排出的制冷剂的压力增加(或减少)，使得质量流量增加(或减少)和/或制冷剂的过热减少(或增加)。
制冷系统300可以任选地包括阀316(例如，节流阀、毛细管、膨胀阀，例如热力膨胀阀、电子膨胀阀、手动膨胀阀等)可以设置在相对于散热热交换器314的下游以及设置在相对于热交换器100的上游(例如，在散热热交换器314和热交换器100之间)。
使用阀316，过热和/或制冷能力可以被开环控制或闭环控制。然而，两相(例如，液体/气体)制冷剂或超临界制冷剂流入第一容器106中。进入第一容器106中的液体/气体进入条件导致与纯液体或超临界进入条件相比更差的分布。
根据各种实施方案，制冷系统300可以被配置为使得从散热热交换器314排出的制冷剂被供应到阀316。例如，阀316可以与散热热交换器314进行(例如，流体的)连通，例如阀316和散热热交换器314可以(例如使用管道，例如气体管道、液体管道等)彼此连接或变得彼此连接。
根据各种实施方案，制冷系统300可以被配置为使得由阀316排出的制冷剂被供应到热交换器100。例如，阀316可以与热交换器100进行(例如流体的)连通，例如阀316和热交换器100可以(例如使用管道，例如气体管道、液体管道等)彼此连接或变得彼此连接。
阀316可以被配置为当制冷剂流入阀316时降低制冷剂的压力，使得阀316可用于调节供应到热交换器100的制冷剂的压力。示例性地，阀316因此可以用于调节第一容器106和第一部分102-1中的制冷剂的压力。因此，热交换器100中的质量流量和/或制冷能力可以使用阀316来调节。
根据各种实施方案，开环控制系统可以被配置为开环控制或闭环控制系统可以被配置为闭环控制阀314，使得由阀316排出的制冷剂的压力增加(或降低)，使得热交换器100中(例如，在第一容器106中)的制冷剂的质量流量增加(或降低)。在该实施方案中，可以实施两个膨胀阶段。使用阀316实现第一膨胀阶段，并且第二膨胀阶段位于至少一个管道102中(例如，在由第一部分102-1提供节流之后)。
根据各种实施方案，制冷系统300可以进一步包括截止阀(未示出)，该截止阀可以(例如，直接)设置在相对于热交换器100的上游。截止阀可以被配置为使得当关闭时，没有制冷剂能够流入截止阀，并且当打开时，制冷剂能够流入截止阀。
根据各种实施方案，截止阀可以被配置为在冷却过程开始时保持关闭，直到使用压缩机312达到最小吸入压力(例如，通过压缩机312的制冷剂吸入)。因此，截止阀可以被配置为仅在达到最小允许吸入压力后才打开或被打开。
根据各种实施方案，截止阀可以被配置为在操作期间当超过最大允许吸入压力时关闭。因此，当制冷系统300中的压力水平适合热交换器100的期望操作(例如，实现热交换器100的至少一个管道102的第二部分102-2中的制冷剂升华)时，使用截止阀可以适当地使(或阻止)制冷剂流入热交换器100。此外，截止阀可以被配置为在系统关闭期间保持关闭，以保持操作压力水平。
如上所述，热交换器100的第二容器108可以被配置为或可以变得被配置为用作固体分离器。可选地或附加地，制冷系统300可以包括固体分离器(未示出)，其可以配置在相对于热交换器100的下游。根据各种实施方案，固体分离器可以被配置为接收从热交换器100排出的制冷剂；向压缩机312提供气体制冷剂；并收集固体制冷剂(例如固体制冷剂成分，例如制冷剂的固体颗粒)。以这种方式，可以保护压缩机312免受固体制冷剂造成的损坏。
根据各种实施方案，制冷系统300可以进一步包括被配置为捕集非制冷剂颗粒的颗粒过滤器(未示出)。颗粒过滤器可以设置在制冷系统300中的任何合适的位置，使得循环到制冷系统300中的非制冷剂颗粒可以被阻挡。这可以防止由于非制冷剂颗粒而堵塞节流点(例如，至少一个管道102和/或至少一个管道102的第一部分102-1)。
根据各种实施方案，制冷系统300可以包括内部热交换器(未示出)，用于在热交换器100的出口处将热量传递给吸入气体。热量可以从冷却过程中去除，例如，在散热热交换器314的下游。在该实施方案中，可以提高过程效率和冷却能力。
图4以示意图示出了包括根据各种实施方案的热交换器100的制冷系统300；
如上所述，第一容器106可以是或者可以被配置为分离器(例如中压分离器)。在这样的实施方案中，第一容器106可以包括在最上面的管道102上方的增加的高度(例如，在至少一个管道102上方或者在多个管道102的最上面的管道102上方)。例如，第一容器106可以在最上面的管道102上方延伸。
根据各种实施方案，第一容器106可以包括气体出口，该气体出口可以设置在例如所述增加的高度中，并且制冷系统300可以被配置为使得从第一容器106的气体出口排出的气体制冷剂被供应到压缩机312。例如，制冷系统300可以被配置为使得从第一容器106的气体出口排出的气体制冷剂与从热交换器100(例如，从第二容器108)排出的气体制冷剂一起被供应到压缩机312。
根据各种实施方案，制冷系统300可以任选地包括附加阀418(例如，节流阀、毛细管、膨胀阀，例如热力膨胀阀、电子膨胀阀、手动膨胀阀等)，其可以被配置为当制冷剂流入附加阀418时降低制冷剂的压力，并且其可以设置在相对于第一容器106的气体出口下游(例如，在第一容器106的气体出口和压缩机312之间)。附加阀418可与第一容器106的气体出口进行(例如，流体的)连通，例如，附加阀418和第一容器106的气体出口可以连接在一起或可以变得连接在一起(例如，使用管道，例如气体管道)。
因此，附加阀418可用于降低从第一容器106的气体出口接收的气体制冷剂的压力，使得其与从热交换器100(例如，来自第二容器108)输出的气体制冷剂处于相同或相似的压力水平。例如，附加阀418可以被配置为在中等压力水平下(例如，在约10bar至约70bar，例如，约10bar至约40bar的范围内，例如，约40bar至约70bar的范围内的压力水平下)从第一容器106的气体出口接收制冷剂，并且将制冷剂的压力降低到低压水平(例如，在约0bar至约5bar范围内的压力水平下)。因此，产生的中压气体可以经由附加阀418供应到压缩机312的吸入气体。
可选地或附加地，压缩机312可被配置为在压缩过程中在中等压力水平下(例如，在约10bar至约70bar范围内，例如在约10bar至约40bar范围内，例如在约40bar至约70bar范围内的压力水平下)供应气体制冷剂(所谓中间注射)。在该实施方案中，压缩机312可以被配置为从第一容器106的气体出口(例如，直接地)接收制冷剂，而不降低制冷剂的压力。例如，压缩机312可以具有第一入口和第二入口，其中压缩机312被配置为经由第一入口从第二容器108接收(换句话说，吸入)制冷剂，并经由第二入口从第一容器106的气体出口接收制冷剂。因此，从第一容器106的气体出口接收的制冷剂可以在压缩过程中供应，例如在从第二容器108接收的制冷剂被压缩之后。
如上所述，第二容器108可以被配置为固体分离器(例如，回旋分离器)。根据各种实施方案，热交换器100的第二容器108可以包括在最下面管道102下方的延伸部分(例如，在至少一个管道102的下方或者在多个管道102的最下面的管道102的下方)。例如，第二容器108可以在最下面的管道102的下方延伸。根据各种实施方案，第二容器108可以被配置为从气体出口排出气体制冷剂并收集固体制冷剂(例如，固体制冷剂组分，例如制冷剂的固体颗粒)。例如，第二容器108可以被配置为在延伸部分中收集固体制冷剂。
根据各种实施方案，制冷系统300可以被配置为使得从第二容器108排出的气体制冷剂被供应到压缩机312。因此，可以避免压缩机312吸入固体制冷剂。
可选地或附加地，第二容器108可以包括第二出口，固体制冷剂成分(例如，制冷剂的固体颗粒)可以经由该第二出口排出并提供给压缩机312。例如，第二容器108的延伸部分和压缩机312可以进行彼此(例如，流体的)连通。在该实施方案中，第二容器108可以被配置为使得提供给压缩机312的固体制冷剂成分被设定尺寸为使得它们在输送到压缩机312的过程中会升华，从而不会对压缩机312造成损坏。因此，从压缩机312排出并在回路中循环后收集在第二容器108中(例如，在第二容器108的延伸部分中)的冷冻机油可以返回到压缩机312。
为了控制制冷剂的过热，可以在第二容器108的底部(例如，在固体分离器的底部)检测过热。因此，只有当没有固体制冷剂成分离开至少一个管道102(或多个管道102中的管道102)时，才会发生过热。当在第二容器108中或下游(例如，在固体分离器的内部或下游)的其他地方测量过热时，也可以检测到过热度，即使固体制冷剂离开至少一个管道102，因为制冷剂不处于热平衡状态。
图5以示意图示出了包括根据各种实施方案的热交换器100的制冷系统300；
根据各种实施方案，制冷系统300可包括第二压缩机520(例如，往复式压缩机、螺杆式压缩机、旋转式压缩机、离心式压缩机、涡旋式压缩机等)使得可以实施制冷剂的两阶段压缩。例如，第二压缩机520可以位于相对于第一压缩机312的下游。
在这样的实施方案中，散热热交换器314可以处于环境温度水平，导致高的压力比和压缩端温度。因此，第二压缩机520可用于达到如此高的压力比。
在该实施方案中，可以省略附加阀418，并且从第一容器106(例如，从第一容器106的气体出口)排出的气体制冷剂可以被供应(例如，直接地)给第二压缩机520。两阶段压缩使从第一容器106(例如，从第一容器106的气体出口)排出的气体制冷剂的压力不降低到低压水平。结果，可以达到更高的过程(例如，压缩过程)效率。
根据各种实施方案，制冷系统300可以被配置为使得从第一容器106(例如，从第一容器106的气体出口)排出的气体制冷剂与从压缩机312排出的压缩制冷剂一起被供应给第二压缩机520。例如，第一容器106和第二压缩机520的气体出口可以彼此连通，例如，第一容器106和第二压缩机520的气体出口可以彼此连接或变得彼此连接(例如，使用管道，例如气体管道)。根据各种实施方案，第二压缩机520可以被配置为从第一容器106(例如，从第一容器106的气体出口)抽取制冷剂。
根据各种实施方案，开环控制系统可以被配置为开环控制，或者闭环控制系统可以被配置为闭环控制第二压缩机520(例如，第二压缩机520的转数)。例如，第二压缩机520转数的增加可以导致第一容器106中压力(例如，中等压力)的降低。换句话说，开环控制系统可以被配置为开环控制和/或闭环控制系统可以被配置为闭环控制第二压缩机520(例如，第二压缩机520转数)，使得第一容器106中的制冷剂压力可以增加(和/或减少)。因此，第二压缩机520的开环控制或闭环控制也可用于控制制冷剂的过热。
图6以示意图示出了包括根据各种实施方案的热交换器100的制冷系统300。
根据各种实施方案，制冷系统300可包括分离器622(例如，中等压力分离器)，其可位于相对于热交换器100的上游。分离器622可以被配置为从液体制冷剂中分离气体制冷剂。
根据各种实施方案，制冷系统300可以被配置为使得从分离器622输出的液态制冷剂被供应到热交换器100。例如，分离器622可以包括气体出口和液体出口，并且液体出口可以连接或者可以变得连接到热交换器100(例如，连接到第一容器106)。因此，只有液体或超临界制冷剂可以被供应给第一容器106。使用分离器622和第一容器106中的相关液体或超临界入口，可以以更有效的方式供应或分配制冷剂。
根据各种实施方案，制冷系统300可以被配置为使得从分离器622排出的气体制冷剂被供应到压缩机312。
根据各种实施方案，制冷系统300可以包括另一个阀624(例如，节流阀、毛细管、膨胀阀，例如热力膨胀阀、电子膨胀阀、手动膨胀阀等)，其可以被配置为当制冷剂流入另一个阀624时降低制冷剂的压力，并且其可以设置在相对于分离器622的气体出口的下游，并且相对于压缩机312的上游。另一个阀624可以与分离器622的气体出口进行(例如，流体的)连通，例如，另一个阀624和分离器622的气体出口可以连接在一起或可以变得连接在一起(例如，使用管道，例如气体管道)。
因此，另一个阀624可用于降低从分离器622的气体出口排出的制冷剂的压力，使得其与从热交换器100(例如，从第二容器108)排出的气体制冷剂处于相同或相似的压力水平。例如，另一个阀624可以被配置为在中等压力水平下(例如，在约10bar至约70bar，例如，约10bar至约40bar的范围内，例如，约40bar至约70bar的范围内的压力水平下)从分离器622的气体出口接收制冷剂，并且将制冷剂的压力降低到低压水平(例如，约0bar至约5bar范围内的压力水平)。因此，产生的中等压力气体可以经由另一个阀624供应到压缩机312的吸入气体。
应当理解，制冷系统300中还可以提供其他元件。例如，可以提供温度传感器和/或压力传感器，以检测制冷回路各部分中制冷剂的温度和/或压力。所检测的温度和/或压力可以用作反馈参数，以开环控制或闭环控制制冷系统300的元件的操作参数(例如，阀316、另一个阀624、压缩机312等的操作参数)。
根据各种实施方案，开环控制系统或者闭环控制系统可以被配置为基于所检测的温度和/或所检测的压力来开环控制或闭环控制阀316和/或另一个阀624。根据各种实施方案，开环控制系统或闭环控制系统可以被配置可以被配置为基于所检测的温度和/或所检测的压力开环控制或闭环控制压缩机312(例如，压缩机312的转数)或第二压缩机520(例如，第二压缩机520的转数)。
例如，根据预定的过冷却，阀316可以被开环控制或闭环控制用于次临界操作。当产生的入口压力达到最大预定次临界高压时，阀316应该根据预定的最大预定次临界高压进行开环控制或闭环控制。
另一个阀624可以闭环控制分离器622中的压力(例如，中等压力)。增加压力(例如，中等压力)会导致临界质量流量增加，从而增加冷却能力并降低过热。例如，开环控制系统或闭环控制系统可以被配置为开环控制或闭环控制另一个阀624，使得由另一个阀624排出的制冷剂的压力增加(或降低)使得分离器622中的制冷剂的压力增加(或降低)。例如，开环控制系统或闭环控制系统可以被配置为开环控制或闭环控制另一个阀624，使得由另一个阀624排出的制冷剂的压力增加(或降低)使得分离器622中的制冷剂的质量流量增加(或降低)。
最大压力(例如，最大中等压力)受到阀316上游的目标高压的限制。最小压力(例如，最小中等压力)受取决于此的最小临界压力的限制，该最小临界压力压力应高于制冷剂的三相压力。在该压力范围内，另一个阀624也可以根据制冷能力或过热进行开环控制或闭环控制。例如，在跨临界操作期间，可以使用另一个阀624将压力(例如，中间压力)保持在次临界压力水平。
过热的控制可以通过改变压缩机312的体积流量来实现。例如，增加压缩机312的流量会降低升华压力并增加过热。额外的过热只会略微增加制冷能力。最大升华压力和最小允许吸入压力会造成限制。换句话说，开环控制系统或闭环控制系统可以被配置为开环控制或闭环控制压缩机312(例如，压缩机312转数)，使得由热分配热交换器314分配的制冷剂的压力增加(或降低)，使得制冷剂(例如，在热交换器100中)的压力可以增加(和/或降低)。因此，使用压缩机312(例如，压缩机312的转数)的开环控制或闭环控制，也可以调节制冷剂的过热。
在一个实施方案中，开环控制系统或者闭环控制系可以被配置为开环控制或者闭环控制另一个阀624，使得分离器622中的压力(例如，中等压力)增加到低于或等于高压的超临界压力(例如，处于约10bar至约160bar的范围内，例如处于约70bar至约140bar的范围内，例如处于约40bar到约70bar的范围内的压力水平)，使得超临界制冷剂被提供给热交换器100(例如，由第一部分102-1提供的限制)，并且在热交换器100的至少一个管道102的第二部分102-2中膨胀。中等压力范围到超临界压力范围的这种膨胀可以通过增加节流点(例如，在第一部分102-1中)中的临界质量流量来增加功率控制的范围。
如上所述，制冷系统300可以包括内部热交换器。根据各种实施方案，内部热交换器可以位于相对于分离器622的液体出口的下游，以便使液体制冷剂过冷。这可以使得在第一容器106中很少有或没有由于外部热量输入而形成的气泡，从而导致制冷剂的更稳定的供应或分配。
图7以示意图示出了包括根据各种实施方案的热交换器100的制冷系统300。
在该实施方案中，制冷系统300可以包括第二压缩机520和分离器622，它们可以如上所述配置。
在该实施方案中，可以省略另一个阀624，并且从分离器622(例如，从分离器622的气体出口)排出的气体制冷剂可以被供应给第二压缩机520。两阶段压缩使从分离器622(例如，从分离器622的气体出口)排出的气体制冷剂的压力不降低到低压水平。
根据各种实施方案，制冷系统300可以被配置为使得从分离器622(例如，从分离器622的气体出口)排出的气体制冷剂例如与从压缩机312输出的压缩制冷剂一起被供应给第二压缩机520。
根据各种实施方案，开环控制系统或者闭环控制系统可以被配置为开环控制或者闭环控制第二压缩机520(例如，第二压缩机520的转数)。例如，第二压缩机520转数的增加可以导致分离器622中压力(例如，中等压力)的降低。换句话说，开环控制系统或闭环控制系统可以被配置为开环控制或闭环控制第二压缩机520(例如，第二压缩机520转数)，使得由热分配热交换器314分配的制冷剂的压力增加(或降低)，使得分离器622中的制冷剂压力可以增加(和/或减少)。因此，第二压缩机520的开环控制或闭环控制也可用于控制制冷剂的过热。
然而，制冷系统300可以另外地包括另一个阀624，以提供控制分离器622中压力的另一种方法。
根据各种实施方案，制冷系统300可包括相对于压缩机312位于下游的另一个热交换器(未示出)，例如，在分离器622的气体出口和压缩机312的出口之间。例如，另一个热交换器可以位于相对于第二压缩机520的上游。在该实施方案中，制冷系统300可以被配置为使得可以使用另一个热交换器冷却从压缩机312排出的压缩制冷剂。这样的冷却使更大的质量流量的制冷剂流入第二压缩机520，并且可以提高压缩过程的效率。
根据各种实施方案，用于通过制冷剂的升华来冷却流体的冷却方法可以包括向热交换器100提供制冷剂。热交换器100可以被配置为如上所述，并且可以包括用于输送制冷剂的至少一个管道102。提供给热交换器100的制冷剂可以处于物质的非固体(例如，液体、气体、液体/气体、超临界)状态。
根据各种实施方案，冷却方法可以包括将制冷剂导入到热交换器100的至少一个管道102中。至少一个管道102可以包括第一部分102-1和第二部分102-2，第一部分102-1相对于至少一个管道102中的制冷剂的流动方向设置在相对于第二部分102-2的上游，第二部分102-2包括大于第一部分102-1的横截面积的横截面积，使得第二部分102-2中的制冷剂能够升华。
根据各种实施方案，冷却方法可以包括将制冷剂导入到热交换器100的至少一个管道102的第一部分102-1中，其中第一部分102-1的横截面积可以被设定尺寸为防止第一部分102-1中的制冷剂升华。
例如，第一部分102-1的横截面积被设定尺寸为使得第一部分102-1中的制冷剂是非固体(例如，液体、气体、液体/气体、超临界等)聚集态。
根据各种实施方案，冷却方法可以包括将制冷剂导入到热交换器100的至少一个管道102的第二部分102-2中。
例如，第二部分102-2的横截面积可以被设定尺寸为使制冷剂在第二部分102-2中膨胀为至少部分地固体(例如，固体/气体)聚集态。
根据各种实施方案，冷却方法可以包括在流入第二部分102-2中的制冷剂和待冷却的流体之间提供热传递，使得流入第二部分102-2中的制冷剂可以升华，并且待冷却的流体可以被冷却。
从热交换器100和制冷系统300的描述中，冷却方法的另外的有利的实施方案将是显而易见的，反之亦然。
本文所述的热交换器100、本文所述的制冷系统300和本文所述的冷却方法可用于需要深度冷却的应用中(例如，冷却至低于-50℃的温度水平)。
一种可能的应用是模拟气候条件，例如在极低温度下测试设备和/或部件。另一个可能的应用是在需要如此低温度的医疗方法中。
下文描述了与上文描述和说明的内容相关的各种实施例。
实施例1是一种热交换器，该热交换器可以包括用于输送制冷剂的至少一个管道，所述至少一个管道包括第一部分和第二部分，第一部分相对于制冷剂在至少一个管道中的流动方向设置在相对于第二部分的上游，第二部分包括大于第一部分的横截面积的横截面积，以使制冷剂能够在第二部分中升华。
在实施例2中，根据实施例1的热交换器可以任选地进一步包括包括多个管路(例如，多个微型管道、多个微型管道管路等)的至少一个管道。
在实施例3中，根据实施例1或2的热交换器可以任选地进一步包括将热交换器配置为使得流入至少一个管道的制冷剂可以与待冷却的流体处于热传递关系。
在实施例4中，根据实施例1至3中任一个的热交换器可以任选地进一步包括将热交换器配置为使得流入第二部分的制冷剂可以与待冷却的流体处于热传递关系。
在实施例5中，根据实施例1至4中任一个的热交换器可以任选地进一步包括将第二部分直接邻近第一部分设置。
在实施例6中，根据实施例1至5中任一个的热交换器可以任选地进一步包括将第一部分配置为在至少一个管道的入口处提供节流点。
在实施例7中，根据实施例1至6中任一个的热交换器可以任选地进一步包括将第一部分的横截面积设定尺寸为使得流入第一部分的制冷剂的压力下降。
例如，第一部分的横截面积可以被设定尺寸为使得制冷剂在第一部分之前处于高压力水平(例如，处于约10bar至约160bar，例如，约70bar至约140bar，例如，约40bar至约70bar范围内的压力水平)；在第一部分中，制冷剂达到临界(声速)速度，使得第一部分中的制冷剂压力降低至低压力水平(例如，处于约10bar至约70bar，例如，约10bar至约40bar，例如，约40bar至约70bar范围内的压力水平)；并且在第一部分之后(例如，进入第二部分时)，随后制冷剂进一步膨胀，制冷剂的压力进一步下降(例如，处于约0bar至约5bar范围内的压力水平，例如，处于升华压力水平)。
在实施例8中，根据实施例1至7中任一个的热交换器可以任选地进一步包括将第一部分的横截面积设定尺寸为防止第一部分的制冷剂升华。
在实施例9中，根据实施例1至8中任一个的热交换器可以任选地进一步包括将第一部分的横截面积设定尺寸为使得第一部分的制冷剂处于或可能处于非固体(例如，液体、气体、液体/气体等)聚集态。
在实施例10中，根据实施例1至9中任一个的热交换器可以任选地进一步包括将第一部分的横截面积设定尺寸为使得制冷剂处于第一部分的压力水平(例如，直到第一部分的出口)，该压力水平大于制冷剂三相点的压力水平。
在实施例11中，根据实施例1至10中任一个的热交换器可以任选地进一步包括将第一部分的横截面积设定尺寸为使得取决于第一部分入口处的压力的临界质量流量通过第一部分实现。
在实施例12中，实施例1至11中任一个的热交换器可以任选地进一步包括将第一部分的横截面积和第二部分的横截面积设定尺寸为使得流入至少一个管道的制冷剂在相对于第一部分下游(例如，在第二部分中)处于使制冷剂可以升华的压力水平(例如，大气压力水平)。
在实施例13中，根据实施例1至12中任一个的热交换器可以任选地进一步包括将第一部分的横截面积和第二部分的横截面积设定尺寸为使得制冷剂在第二部分中膨胀成至少部分地固体(例如，固体/气体)聚集态。
在实施例14中，根据实施例1至13中任一个的热交换器可以任选地进一步包括，第一部分具有在约0.0001mm2至约0.8mm2范围内的横截面积，例如在约0.001mm2至约0.5mm2范围内，例如在约0.005mm2至约0.25mm2范围内。
在实施例15中，实施例1至14中任一个的热交换器可以任选地进一步包括，第二部分具有在约0.01mm2至约400mm2的范围内的横截面积，例如在约0.1mm2至约100mm2的范围内，例如在约0.5mm2至约50mm2，例如在约1mm2至约20mm2的范围内。
在实施例16中，根据实施例1至15中任一个的热交换器可以任选地进一步包括将第一部分的横截面积和第二部分的横截面积设定尺寸为使得制冷剂在第二部分中处于约0bar至约5bar范围内的压力水平。
在实施例17中，根据实施例1至16中任一个的热交换器可以任选地进一步包括制冷剂，其包括二氧化碳。
在实施例18中，根据实施例1至17中任一个的热交换器可以任选地进一步包括包括烃基制冷剂的制冷剂。
例如，制冷剂可以包括HFKW和/或HFCKW和/或HFO和/或R170和/或R290和/或R600等。
在实施例19中，根据实施例1至18中任一个的热交换器可以任选地进一步包括包括彼此不同的多种制冷剂的混合物的制冷剂。
在实施例20中，根据实施例1至19中任一个的热交换器可以任选地进一步包括第一容器(例如，分配容器)，其被配置为向至少一个管道供应制冷剂。
例如，第一容器可以被配置为将制冷剂分配(例如，均匀地)到至少一个管道的多个管路(例如，到多个微型管道)中。
在实施例21中，实施例20的热交换器可以任选地进一步包括第一容器，该第一容器被配置为使得流入第一容器的制冷剂处于高于制冷剂的三相点的压力水平的压力水平。
在实施例22中，根据实施例20或21的热交换器可以任选地包括第一容器，该第一容器被配置为使得制冷剂在第一容器中处于中压水平或高压水平(例如，处于约10bar至约160bar的范围内，例如，约70bar至约140bar的范围内，例如，约40bar至约70bar的范围内，例如，约10bar至约40bar的范围内的压力水平，等)。
在实施例23中，根据实施例20至22中任一个的热交换器可以任选地进一步包括第一容器，该第一容器被配置为使得流入第一容器的制冷剂处于非固体(例如，液体、气体、液体/气体等)聚集态。
在实施例24中，根据实施例20至23中任一个的热交换器可以任选地进一步包括第一容器，该第一容器被配置为分离器(例如，中压分离器)。
例如，第一容器可以被配置为向至少一个管道供应液体制冷剂，并且从气体出口排出气体制冷剂。
在实施例25中，根据实施例1至24中任一个的热交换器可以任选地进一步包括第二容器(例如，收集容器)，其被配置为接收从至少一个管道排出的制冷剂。
在实施例26中，实施例25的热交换器可以任选地进一步包括第二容器，该第二容器被配置为固体分离器(例如，回旋分离器)。
例如，第二容器可以被配置为从第一出口排出气体制冷剂并收集固体制冷剂(例如，固体制冷剂组分，例如制冷剂的固体颗粒)。
在实施例27中，根据实施例1至26中任一个的热交换器可以任选地进一步包括具有圆形横截面或椭圆形横截面的第一部分。
在实施例28中，根据实施例1至26中任一个的热交换器可以任选地进一步包括具有方形横截面、矩形横截面或多边形横截面的第一部分。
在实施例29中，根据实施例1至28中任一个的热交换器可以任选地进一步包括，第一部分的横截面沿着垂直于至少一个管道中的制冷剂流动方向的方向具有在约0.01mm至约0.5mm的范围内的尺寸(例如，高度、宽度、直径、边长等)，例如在约0.01mm至约0.2mm的范围内，例如在约0.02mm至约0.1mm，例如在约0.02mm至约0.05mm的范围内。
例如，第一部分的横截面的尺寸可以小于0.1mm。
在实施例30中，根据实施例1至29中任一个的热交换器可以任选地进一步包括具有圆形横截面或椭圆形横截面的第二部分。
在实施例31中，根据实施例1至29中任一个的热交换器可以任选地进一步包括具有方形横截面、矩形横截面或多边形横截面的第二部分。
在实施例32中，根据实施例1至31中任一个的热交换器可以任选地进一步包括，第二部分的横截面沿着垂直于至少一个管道中制冷剂的流动方向的方向具有在约0.1mm至约20mm的范围内的尺寸(例如，高度、宽度、直径、边长等)，例如约0.5mm至约10mm，例如约1mm至约5mm。
在实施例33中，根据实施例1至32中任一个的热交换器可以任选地进一步包括使用压缩至少一个管道来提供(换句话说，减小)第一部分的横截面积。
在实施例34中，根据实施例1至33中任一个的热交换器可以任选地进一步包括至少一个管道，该管道包括收缩元件(例如，套筒、穿孔盘、穿孔板、盖等)，所述收缩原件设置在第一部分中，使得第一部分的横截面积减小。
在实施例35中，根据实施例1至33中任一个的热交换器可以任选地进一步包括设置(例如，附接，例如焊接等)在至少一个管道的入口的收缩元件。
例如，收缩元件可以用作至少一个管道的第一部分，并且至少一个管道可以用作至少一个管道的第二部分。
实施例36是热交换器，该热交换器包括用于输送制冷剂的至少一个管道，以及设置在相对于所述至少一个管道上游的至少一个收缩元件，其中所述至少一个管道的横截面积大于所述至少一个收缩元件的横截面积(例如，内部横截面积)，使得制冷剂能够在所述至少一个管道中的升华。
在实施例37中，根据实施例36的热交换器可以任选地进一步包括设置(例如，附接，例如焊接等)在至少一个管道的入口的收缩元件。
实施例38是包括根据实施例1至37中任一个的热交换器的制冷系统。
所述制冷系统可以任选地进一步包括开环控制系统或闭环控制系统。开环控制系统或闭环控制系统可以被配置为开环控制制冷系统部件或闭环控制制冷系统的部件的操作条件。
所述制冷系统可以任选地包括设置在相对于热交换器的下游的压缩机。
所述制冷系统可以任选地包括散热热交换器。例如，另一个散热热交换器可以位于相对于压缩机的下游。例如，散热热交换器可以相对于热交换器(例如，相对于热交换器的第一容器)设置在上游。
在实施例39中，根据实施例38的制冷系统可以任选地进一步包括，将开环控制系统或闭环控制系统配置为开环控制或闭环控制压缩机(例如，压缩机的转数)，使得制冷剂(例如，在热交换器中)的压力增加(或降低)。
在实施例40中，根据实施例38或39的制冷系统可以任选地进一步包括，将开环控制系统或闭环控制系统配置为开环控制或闭环控制散热热交换器，使得从散热热交换器排出的制冷剂的压力增加(或降低)，从而使得第一容器中的制冷剂的质量流量增加(或降低)。
在实施例41中，根据实施例38至40的任一个的制冷系统可以任选地进一步包括，将开环控制系统或闭环控制系统配置为开环控制或闭环控制散热热交换器，使得从散热热交换器排出的制冷剂的压力增加(或降低)，从而制冷剂的过热降低(或增加)。
在实施例42中，根据实施例38至41中任一个的制冷系统可以任选地包括阀(例如，节流阀、毛细管、膨胀阀如热力膨胀阀、电子膨胀阀、手动膨胀阀等)。该阀可以被配置为在制冷剂流入阀时降低其压力。
例如，阀可以位于相对于散热热交换器的下游，以及相对于热交换器的上游(例如，在散热热交换器和热交换器之间)。
在实施例43中，根据实施例42的制冷系统可以任选地进一步包括，将开环控制系统或闭环控制系统配置为开环控制或闭环控制阀，使得由阀排出的制冷剂的压力增加(或降低)，使得热交换器中(例如，在第一容器中)的制冷剂的质量流量增加(或降低)。
在实施例44中，根据实施例38至43中任一个的制冷系统可以任选地进一步包括被配置为分离器(例如中压分离器)的热交换器的第一容器，并且制冷系统被配置用于将从第一容器排出的气体制冷剂供应给压缩机。
在实施例45中，根据实施例44的制冷系统可以任选地进一步包括另外的阀(例如，节流阀、毛细管、膨胀阀如热力膨胀阀、电子膨胀阀、手动膨胀阀等)。该另外的阀可以被配置为在制冷剂流入阀时降低其压力。
例如，另外的阀可以位于相对于第一容器的气体出口的下游(例如，在第一容器的气体出口和压缩机之间)。
在实施例46中，根据实施例38至45中任一个的制冷系统可以任选地进一步包括被配置为固体分离器的热交换器的第二容器。例如，制冷剂的过热可以在第二容器的底部检测到。
在实施例47中，根据实施例38至46中任一个的制冷系统可以任选地进一步包括第二压缩机(例如，往复式压缩机、螺杆式压缩机、旋转式压缩机、离心式压缩机、涡旋式压缩机等)。例如，第二压缩机可以位于相对于压缩机的下游。
例如，制冷系统可以被配置为使得从第一容器(例如，从第一容器的气体出口)排出的气体制冷剂与从压缩机排出的压缩制冷剂一起被供应给第二压缩机。
在实施例48中，根据实施例47的制冷系统可以任选地进一步包括，将开环控制系统或闭环控制系统配置为开环控制或闭环控制第二压缩机(例如，另外的压缩机的转数)，使得第一容器中的制冷剂的压力增加或(降低)。
在实施例49中，根据实施例38至48中任一个的制冷系统可以任选地进一步包括分离器(例如，中压分离器)。分离器可以被配置为从液体制冷剂中分离气体制冷剂。分离器可以设置在相对于热交换器的上游。例如，制冷系统可以被配置为使得从分离器排出的气体制冷剂被供应到压缩机和/或第二压缩机。
在实施例50中，根据实施例49的制冷系统可以任选地进一步包括另一个阀(例如，节流阀、毛细管、膨胀阀如热力膨胀阀、电子膨胀阀、手动膨胀阀等)。所述另一个阀可以被配置为在制冷剂流入阀时降低其压力。所述另一个阀可以设置在相对于分离器的气体出口的下游。
在实施例51中，根据实施例50的制冷系统可以任选地进一步包括，将开环控制系统或闭环控制系统配置为开环控制或闭环控制另一个阀，使得由另一个阀排出的制冷剂的压力增加(或降低)使得分离器中的制冷剂的压力增加(或降低)。
在实施例52中，根据实施例50或51的制冷系统可以任选地进一步包括，将开环控制系统或闭环控制系统配置为开环控制或闭环控制另一个阀，使得由另一个阀排出的制冷剂的压力增加(或降低)，使得分离器中的制冷剂的质量流量增加(或降低)。
在实施例53中，根据实施例50至52中任一个的制冷系统可以任选地进一步包括，将开环控制系统或闭环控制系统配置为开环控制或闭环控制另一个阀，使得分离器中的压力(例如中间压力)增加到低于或等于高压的超临界压力(例如增加到约10bar至约160bar的范围内的压力水平，例如约70bar至约140bar，例如约40bar至约70bar)。
在实施例54中，根据实施例47或48以及根据实施例49至53中任一个的制冷系统可以任选地进一步包括，将开环控制系统或闭环控制系统配置为开环控制或闭环控制第二压缩机(例如，第二压缩机的转数)，使得分离器中的制冷剂的压力增加或(降低)。
实施例55是一种使用制冷剂的升华来冷却流体的冷却方法，该方法包括以下：向热交换器提供制冷剂，其中所述热交换器包括用于输送制冷剂的至少一个管道；将制冷剂输送到所述至少一个管道中，其中所述至少一个管道包括第一部分和第二部分，其中第一部分相对于制冷剂在至少一个管道中的流动方向设置于相对于第二部分的上游，其中第二部分包括大于第一部分的横截面积的横截面积，从而使制冷剂在第二部分中升华；在流入第二部分的制冷剂和待冷却的流体之间提供热传递，使得流入第二部分的制冷剂可以升华并且所述待冷却的流体被冷却。
在实施例56中，根据实施例55的冷却方法可以任选地进一步包括，提供给热交换器的制冷剂为非固体(例如，液体、气体、液体/气体、超临界等)聚集态。
在实施例57中，根据实施例55或56的冷却方法可以任选地进一步包括将制冷剂导入到热交换器的至少一个管道的第一部分中，其中第一部分的横截面积被设定尺寸为防止制冷剂在第一部分中升华。
在实施例58中，根据实施例55至57中任一个的冷却方法可以任选地进一步包括将制冷剂导入到热交换器的至少一个管道的第二部分中。
在实施例59中，根据实施例55至58中任一个的冷却方法可以任选地进一步包括，至少一个管道包括多个管路(例如，多个微型管道、多个微型管道的管路)。
在实施例60中，根据实施例55至59中任一个的冷却方法可以任选地进一步包括将热交换器配置为使得流入至少一个管道的制冷剂可以与待冷却的流体处于热传递关系。
在实施例61中，根据实施例55至60中任一个的冷却方法可以任选地进一步包括将热交换器配置为使得流入第二部分的制冷剂可以与待冷却的流体处于热传递关系。
在实施例62中，根据实施例55至61中任一个的冷却方法可以任选地进一步包括将第二部分直接地邻近第一部分设置。
在实施例63中，根据实施例55至62中任一个的冷却方法可以任选地进一步包括将第一部分配置为在至少一个管道的入口处提供节流点。
在实施例64中，根据实施例55至63中任一个的冷却方法可以任选地进一步包括将第一部分的横截面积设定尺寸为使得流入第一部分的制冷剂的压力下降。
例如，第一部分的横截面积可以被设定尺寸使得制冷剂在第一部分之前处于高压力水平(例如，处于约10bar至约160bar，例如，约70bar至约140bar，例如，约40bar至约70bar范围内的压力水平)；在第一部分中，制冷剂达到临界(声速)速度，使得第一部分中的制冷剂压力降低至低压力水平(例如，降至约10bar至约70bar，例如，约10bar至约40bar，例如，约40bar至约70bar范围内的压力水平)；并且在所述第一部分之后(例如，进入所述第二部分时)，随后所述制冷剂进一步膨胀，所述制冷剂的压力进一步下降(例如，降至约0bar至约5bar范围内的压力水平，例如，降至升华压力水平)。
在实施例65中，根据实施例55至64中任一个的冷却方法可以任选地进一步包括设定第一部分的横截面积的尺寸以防止制冷剂在第一部分中升华。
在实施例66中，根据实施例55至65中任一个的冷却方法可以任选地进一步包括设定第一部分的横截面积的尺寸，以使第一部分的制冷剂处于或可能处于非固体(例如，液体、气体、液体/气体等)聚集态。
在实施例67中，根据实施例55至66中任一个的冷却方法可以任选地进一步包括设定第一部分的横截面积的尺寸，以使制冷剂处于第一部分的压力水平(例如，直到第一部分的出口)，该压力水平大于制冷剂三相点的压力水平。
在实施例68中，根据实施例55至67中任一个的冷却方法可以任选地进一步包括设定第一部分的横截面积的尺寸，以使取决于第一部分入口处的压力的临界质量流量通过第一部分达到。
在实施例69中，实施例55至68中任一个的冷却方法可以任选地进一步包括设定第一部分的横截面积和第二部分的横截面积的尺寸，以使流入至少一个管道的制冷剂处于相对于第一部分下游(例如，在第二部分中)的压力水平(例如，大气压力水平)，从而使制冷剂升华。
在实施例70中，根据实施例55至69中任一个的冷却方法可以任选地进一步包括设定第一部分的横截面积和第二部分的横截面积的尺寸以使制冷剂在第二部分中膨胀成至少部分地固体(例如，固体/气体)聚集态。
在实施例71中，根据实施例55至70中任一个的冷却方法可以任选地进一步包括，第一部分具有在约0.0001mm2至约0.8mm2范围内的横截面积，例如在约0.001mm2至约0.5mm2范围内，例如在约0.005mm2至约0.25mm2范围内。
在实施例72中，实施例55至71中任一个的冷却方法可以任选地进一步包括，第二部分具有在约0.01mm2至约400mm2的范围内的横截面积，例如在约0.1mm2至约100mm2的范围内，例如在约0.5mm2至约50mm2，例如在约1mm2至约20mm2的范围内。
在实施例73中，根据实施例55至72中任一个的冷却方法可以任选地进一步包括设定第一部分的横截面积和第二部分的横截面积的尺寸以使制冷剂在第二部分中处于约0bar至约5bar范围内的压力水平。
在实施例74中，根据实施例55至73中任一个的冷却方法可以任选地进一步包括包括二氧化碳的制冷剂。
在实施例75中，根据实施例55至74中任一个的冷却方法可以任选地进一步包括包括烃基制冷剂的制冷剂。
例如，制冷剂可以包括HFKW和/或HFCKW和/或HFO和/或R170和/或R290和/或R600等。
在实施例76中，根据实施例55至75中任一个的冷却方法可以任选地进一步包括包括彼此不同的多种制冷剂的混合物的制冷剂。
在实施例77中，根据实施例55至76中任一个的冷却方法可以任选地进一步包括第一容器(例如，分配容器)，其被配置为向至少一个管道供应制冷剂。
例如，如果至少一个管道包括多个管路，则第一容器可以被配置为在至少一个管道的多个管路(例如，多个微型管道)之间分配制冷剂。
在实施例78中，根据实施例77的冷却方法可以任选地进一步包括第一容器，该第一容器被配置为使得流入第一容器的制冷剂处于高于制冷剂的三相点的压力水平的压力水平。
在实施例79中，根据实施例77或78的冷却方法可以任选地进一步包括第一容器，该第一容器被配置为使得制冷剂在第一容器中处于中压水平或高压水平(例如，处于约10bar至约160bar的范围内，例如，约70bar至约140bar的范围内，例如，约40bar至约70bar的范围内，例如，约10bar至约40bar的范围内的压力水平等)。
在实施例80中，根据实施例77至79中任一个的冷却方法可以任选地进一步包括第一容器，该第一容器被配置为使得流入第一容器的制冷剂处于非固体(例如，液体、气体、液体/气体等)聚集态。
在实施例81中，根据实施例77至80中任一个的冷却方法可以任选地进一步包括设置第一容器作为分离器(例如，中压分离器)。
例如，第一容器可以被配置为向至少一个管道供应液体制冷剂，并且从气体出口排出气体制冷剂。
在实施例82中，根据实施例55至81中任一个的冷却方法可以任选地进一步包括第二容器(例如，收集容器)，其被配置为接收从至少一个管道分配的制冷剂。
在实施例83中，实施例82的冷却方法可以任选地进一步包括第二容器，该第二容器被配置为固体分离器(例如，回旋分离器)。
例如，第二容器可以被配置为从第一出口排出气体制冷剂并收集固体制冷剂(例如，固体制冷剂组分，例如制冷剂的固体颗粒)。
在实施例84中，根据实施例55至83中任一个的冷却方法可以任选地进一步包括具有圆形横截面或椭圆形横截面的第一部分。
在实施例85中，根据实施例55至83中任一个的冷却方法可以任选地进一步包括具有方形横截面、矩形横截面或多边形横截面的第一部分。
在实施例86中，根据实施例55至85中任一个的冷却方法可以任选地进一步包括第一部分的横截面，该横截面具有沿着垂直于至少一个管道中的制冷剂流动方向的方向的尺寸(例如，高度、宽度、直径、边长等)，该尺寸在约0.01mm至约0.5mm的范围内，例如在约0.01mm至约0.2mm的范围内，例如在约0.02mm至约0.1mm，例如在约0.02mm至约0.05mm的范围内。
例如，第一部分的横截面的尺寸可以小于0.1mm。
在实施例87中，根据实施例55至86中任一个的冷却方法可以任选地进一步包括具有圆形横截面或椭圆形横截面的第一部分。
在实施例88中，根据实施例55至86中任一个的冷却方法可以任选地进一步包括具有方形横截面、矩形横截面或多边形横截面的第二部分。
在实施例89中，根据实施例55至88中任一个的冷却方法可以任选地进一步包括第二部分的横截面，该横截面具有沿着垂直于至少一个管道中制冷剂的流动方向的方向的尺寸(例如，高度、宽度、直径、边长等)。该尺寸在约0.1mm到约20mm，例如约0.5mm到约10mm，例如约1mm到约5mm的范围内。
在实施例90中，根据实施例55至89中任一个的冷却方法可以任选地进一步包括通过压缩至少一个管道来提供(换句话说，减小)第一部分的横截面积。
在实施例91中，根据实施例55至90中任一个的冷却方法可以任选地进一步包括至少一个管道，该管道包括设置在第一部分中的收缩元件(例如，套筒、穿孔盘、穿孔板、盖等)，使得第一部分的横截面积减小。
在实施例92中，根据实施例55至90中任一个的冷却方法可以任选地进一步包括在至少一个管道的入口处设置(例如，附接，例如焊接等)收缩元件。
例如，收缩元件可以用作至少一个管道的第一部分，并且至少一个管道可以用作至少一个管道的第二部分。

Claims (15)

1.一种热交换器(100)，包括用于输送制冷剂的至少一个管道(102)，其中所述至少一个管道(102)包括第一部分(102-1)和第二部分(102-2)；
其中相对于制冷剂在所述至少一个管道(102)中的流动方向，所述第一部分(102-1)设置在相对于所述第二部分(102-2)的上游；
其中所述第二部分(102-2)具有大于所述第一部分(102-1)的横截面积的横截面积，使得第二部分(102-2)中的制冷剂能够升华。
2.根据权利要求1所述的热交换器(100)，
其中所述第一部分(102-1)的横截面积被设定尺寸为防止第一部分(102-1)中的制冷剂升华。
3.根据权利要求1或2所述的热交换器(100)，
其中所述第一部分(102-1)的横截面积被设定尺寸为使得制冷剂处于第一部分(102-1)的压力水平，所述压力水平大于制冷剂三相点的压力水平。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的热交换器(100)，
其中所述第一部分(102-1)的横截面积和第二部分(102-2)的横截面积被设定尺寸为使得制冷剂在第二部分(102-2)中膨胀成至少部分地固体聚集态。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的热交换器(100)，
其中所述制冷剂包括二氧化碳。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的热交换器(100)，
其中所述第一部分(102-1)具有在约0.0001mm2至约0.8mm2的范围内的横截面积。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的热交换器(100)，
其中所述第二部分(102-2)具有在约0.01mm2至约400mm2的范围内的横截面积。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的热交换器(100)，
其中所述至少一个管道(102)包括设置在第一部分(102-1)中的收缩元件(210)，使得第一部分(102-1)的横截面积减小。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的热交换器(100)，
其中所述第一部分(102-1)的横截面积和第二部分(102-2)的横截面积被设定尺寸为使得流入至少一个管道(102)的制冷剂的升华在第一部分(102-1)中被阻止，并且在从第一部分(102-1)过渡到第二部分(102-2)时由于制冷剂的压降使制冷剂能够升华。
10.一种制冷系统(300)，其包括根据权利要求1至9中任一项所述的热交换器(100)。
11.用于通过制冷剂的升华来冷却流体的冷却方法，其包括以下：
向热交换器(100)提供制冷剂，其中所述热交换器(100)包括用于输送制冷剂的至少一个的管道(102)；
将制冷剂导入到所述至少一个管道(102)中，其中所述至少一个管道(102)包括第一部分(102-1)和第二部分(102-2)；
其中所述第一部分(102-1)相对于制冷剂在至少一个管道(102)中的流动方向设置在相对于第二部分(102-2)的上游；
其中所述第二部分(102-2)具有大于第一部分(102-1)的横截面积的横截面积，使得第二部分(102-2)中的制冷剂能够升华；以及
在流入第二部分(102-2)中的制冷剂和待冷却的流体之间提供热传递，使得流入第二部分(102-2)中的制冷剂升华，并且待冷却的流体被冷却。
12.一种热交换器(100)，其包括用于输送制冷剂的至少一个管道(102)，其中所述至少一个管道(102)包括第一部分(102-1)和第二部分(102-2)；
其中所述第一部分(102-1)相对于制冷剂在至少一个管道(102)中的流动方向设置在相对于第二部分(102-2)的上游；
其中所述第一部分(102-1)的横截面积被设定尺寸为防止第一部分(102-1)中的制冷剂升华，
其中所述第二部分(102-2)具有大于第一部分(102-1)的横截面积的横截面积，使得第二部分(102-2)中的制冷剂能够升华，
其中所述第一部分(102-1)的横截面积被设定尺寸为使得制冷剂处于第一部分(102-1)的压力水平，所述压力水平大于制冷剂三相点的压力水平，并且
其中所述第一部分(102-1)的横截面积和第二部分(102-2)的横截面积被设定尺寸为使得制冷剂在第二部分(102-2)中膨胀成至少部分地固体聚集态。
13.一种热交换器(100)，其包括用于输送制冷剂的至少一个管道(102)，其中所述至少一个管道(102)包括第一部分(102-1)和第二部分(102-2)；
其中所述第一部分(102-1)相对于制冷剂在至少一个管道(102)中的流动方向设置在相对于第二部分(102-2)的上游；
其中所述第一部分(102-1)被配置为使得流入第一部分(102-1)的制冷剂处于高于制冷剂的三相点的压力水平的压力水平，并且
其中所述第二部分(102-2)被配置为使得流入第二部分(102-2)的制冷剂处于低于制冷剂的三相点的压力水平的压力水平。
14.用于热交换器(100)中的管道(102)，所述管道包括：
第一部分(102-1)，其具有第一横截面积，以及
第二部分(102-2)，其具有第二横截面积，
其中所述第一横截面积和第二横截面积被设定尺寸为防止流入第一部分(102-1)管道的制冷剂升华，并且在从第一部分(102-1)过渡到第二部分(102-2)时由于制冷剂的压降使制冷剂能够升华。
15.一种热交换器(100)，其包括一个或多个根据权利要求14所述的管道。
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